基于SOPC技術的EPA現場控制器的設計

　　引言

　　隨著以太網技術的飛速發展，工業以太網漸漸成為自動化控制系統里主流的高速率的通信方式，工業以太網技術已經成為一個獨立發展的分支。EPA是我國第一個擁有自主知識產權、并被國際標準化組織接收和采用的工業自動化標準。該標準是一種基于以太網、無線局域網、藍牙等信息網絡通信技術的，適用于工業自動化控制系統裝置與儀器儀表間、工業自動化儀器儀表相互間數據通信的工業控制網絡通信標準。

　　大量的EPA現場設備都是通過加裝EPA通信卡來進行通信，該通信卡的處理器多數采用ARM核。近年來，隨著半導體技術的飛速發展，傳統的芯片設計方法正在進行一場革命，其標志就是系統芯片(SoC)被業界廣泛接受，并成為研究和開發的熱點。隨著SoC技術應運而生的是SOPC 技術。它結合了SoC和FPGA的優點，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統中可編程的功能。SOPC能夠提供更好的性能以及更低的功耗，有效節省電路板空間并降低產品的總成本，電子工業正逐漸向SOPC設計轉移，使SOPC成為現代電子系統的最佳選擇之一。在充分研究EPA網絡通信和SOPC技術的基礎上，開發了一種基于SOPC技術的EPA控制器。

　　SOPC技術

　　SOPC技術是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應的開發軟件Quartus II。SOPC是基于FPGA解決方案的SoC，與ASIC的SoC解決方案相比，SOPC系統及其開發技術具有更多的特色，并具備以下的基本特征:至少包含一個以上的嵌入式處理器IP核；具有小容量片內高速RAM資源；豐富的IP核資源可供靈活選擇；有足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調試接口和FPGA編程接口共用或并存；可包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗。

　　SOPC是一種新的系統設計技術，也是一種新的軟硬件綜合設計技術。通過它，可以很快地將硬件系統(包括微處理器，存儲器，外設以及用戶邏輯電路等)和軟件設計都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達到系統的IC設計。這種設計方式，具有開發周期短以及系統可修改等優點。設計完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉為ASIC芯片，從而可以實現快速量產。

　　EPA現場控制器設計

　　針對控制系統中連接管理網、控制網和現場設備單元的要求，采用SOPC技術、現場總線技術和自動控制技術，設計一種適用于EPA工業以太網的控制器，并在其可編輯軟核的CPU處理器上實現了實時操作系統及EPA通信協議棧。該EPA現場控制器可實現實時控制信息的輸入輸出，并對以太網上的其他的EPA設備進行監控、顯示和故障報警。本文將針對該EPA控制器的基于SOPC技術的CPU核心處理模塊和通信處理模塊分別進行說明。

　　EPA現場控制器的硬件設計總體方案

　　圖1是EPA現場控制器的硬件系統結構框圖。整個設計中，硬件上實現EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設計；實現了串口通信和網絡通信的設計；實現了復位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設計；實現了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設計；實現了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設計，拓展了豐富的存儲器資源，可移植linux、windows CE操作系統等；拓展了總線接口，可以根據工業現場的實際需要接入相應的板卡(如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實現與現場數據之間的數模、模數轉換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等)。

圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結構框圖

　　在設計時，考慮到由于該控制器的結構、功能較為復雜，涉及到的器件種類較多。所以在設計時，將硬件板卡分為兩部分來做。第一部分：CPU核心處理模塊，包含CPU處理器EP1C12Q240C8、存儲器(FLASH、SDRAM)、電源部分、時鐘源、JTAG、EPCS下載口和復位電路。第二部分：通信處理模塊，包含網絡通信(LAN91C111網卡芯片和RJ45)、串口通信(MAX3232)、LCD接口、鍵盤接口和蜂鳴器。