基于CPLD的PLC背板總線協議接口芯片設計

　　可編程邏輯控制器（PLC）主機是通過背板總線支持擴展模塊的連接， 背板總線是PLC 主機同I/O擴展模塊之間的高速數據通路，支持主機和擴展模塊之間的I/O 數據刷新。背板總線的技術水平決定了PLC 產品的I/O 擴展能力，是PLC 設計制造的核心技術。目前，PLC 大多采用串行通信技術實現背板總線，串行總線引線少、硬件成本低，跟并行總線相比不容易受干擾，串行總線可以提高在惡劣的工廠和工業環境下自動化設備的可靠性。用于串行通信技術的可選類型包括I2C、UART、SPI、USB 和以太網等，一般來說，很多作為PLC 主芯片的單片機自身都集成了這些外設部件。但是單片機內部集成的I2C、UART、SPI 外設通信速率太慢，根本不能滿足底板總線的通信速度要求。USB 和以太網的通信速度雖然很快但由于它們都是通用的接口，在通信協議處理時需要單片機的干預， 單片機處理數據速度較慢，因此整體通信速度仍然很慢。一臺大型的PLC 采集上千點I/O 數據的時間一般不到1ms,要滿足如此高速的通信要求必須設計專門的背板總線。

　　1 背板總線工作原理

　　如圖1 所示，基于背板總線的數據通信流程如下：

　?。?）PLC 主機的命令通過主機協議芯片發送到背板總線；（2）從機協議芯片把接收到的命令給擴展模塊的單片機， 某一個擴展模塊的單片機做出應答，通過從機協議芯片把應答數據送往背板總線；（3）主機協議芯片收到應答數據，并送往PLC主機的單片機。

圖1 背板總線通信框圖

　　PLC 主機發往背板總線的數據可以分成兩類：一類是I/O 刷新數據，具有周期性，數據交換非常頻繁；另一類是診斷性數據，具有非周期性，出現機會較少。

　　2 協議芯片設計

　　本設計定義背板總線采用類似SPI 串行通信的規格，用于通信的引線共4 根，包括時鐘信號SCLK、片選信號SSEL、寫數據引線MISO 和讀數據引線MOSI;支持主機和從機同時收發數據，數據位格式如圖2 所示，數據幀在SSEL 信號為低電平時傳輸。

圖2 背板總線數據規格