基于SOPC技术的EPA现场控制器的设计

引言

随着以太网技术的飞速发展，工业以太网渐渐成为自动化控制系统里主流的高速率的通信方式，工业以太网技术已经成为一个独立发展的分支。EPA是我国第一个拥有自主知识产权、并被国际标准化组织接收和采用的工业自动化标准。该标准是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术的，适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表相互间数据通信的工业控制网络通信标准。

大量的EPA现场设备都是通过加装EPA通信卡来进行通信，该通信卡的处理器多数采用ARM核。近年来，随着半导体技术的飞速发展，传统的芯片设计方法正在进行一场革命，其标志就是系统芯片（SoC）被业界广泛接受，并成为研究和开发的热点。随着SoC技术应运而生的是SOPC 技术。它结合了SoC和FPGA的优点，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统中可编程的功能。SOPC能够提供更好的性能以及更低的功耗，有效节省电路板空间并降低产品的总成本，电子工业正逐渐向SOPC设计转移，使SOPC成为现代电子系统的最佳选择之一。在充分研究EPA网络通信和SOPC技术的基础上，开发了一种基于SOPC技术的EPA控制器。

图1基于FPGA的EPA控制器的硬件结构框图

SOPC技术

SOPC技术是美国Altera公司于2000年最早提出的，并同时推出了相应的开发软件Quartus II。SOPC是基于FPGA解决方案的SoC，与ASIC的SoC解决方案相比，SOPC系统及其开发技术具有更多的特色，并具备以下的基本特征：至少包含一个以上的嵌入式处理器IP核；具有小容量片内高速RAM资源；丰富的IP核资源可供灵活选择；有足够的片上可编程逻辑资源；处理器调试接口和FPGA编程接口共用或并存；可包含部分可编程模拟电路；单芯片、低功耗。

SOPC是一种新的系统设计技术，也是一种新的软硬件综合设计技术。通过它，可以很快地将硬件系统（包括微处理器，存储器，外设以及用户逻辑电路等）和软件设计都放在一个可编程的FPGA芯片中，以达到系统的IC设计。这种设计方式，具有开发周期短以及系统可修改等优点。设计完成的SOPC可以通过HARDCOPY转为ASIC芯片，从而可以实现快速量产。

EPA现场控制器设计

针对控制系统中连接管理网、控制网和现场设备单元的要求，采用SOPC技术、现场总线技术和自动控制技术，设计一种适用于EPA工业以太网的控制器，并在其可编辑软核的CPU处理器上实现了实时操作系统及EPA通信协议栈。该EPA现场控制器可实现实时控制信息的输入输出，并对以太网上的其他的EPA设备进行监控、显示和故障报警。本文将针对该EPA控制器的基于SOPC技术的CPU核心处理模块和通信处理模块分别进行说明。

EPA现场控制器的硬件设计总体方案

图1是EPA现场控制器的硬件系统结构框图。整个设计中，硬件上实现EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外围接口电路的设计；实现了串口通信和网络通信的设计；实现了复位电路、JTAG、时钟电路、电源电路的设计；实现了键盘电路、LCD显示电路、蜂鸣器报警电路的设计；实现了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外围电路的设计，拓展了丰富的存储器资源，可移植linux、windows CE操作系统等；拓展了总线接口，可以根据工业现场的实际需要接入相应的板卡（如DI/DO模块、AI/AO模块，实现与现场数据之间的数模、模数转换、拓展MMC存储卡，拓展其存储容量等）。

在设计时，考虑到由于该控制器的结构、功能较为复杂，涉及到的器件种类较多。所以在设计时，将硬件板卡分为两部分来做。第一部分：CPU核心处理模块，包含CPU处理器EP1C12Q240C8、存储器（FLASH、SDRAM）、电源部分、时钟源、JTAG、EPCS下载口和复位电路。第二部分：通信处理模块，包含网络通信（LAN91C111网卡芯片和RJ45）、串口通信（MAX3232）、LCD接口、键盘接口和蜂鸣器。

图2 芯片系统结构框图