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西門(mén)子自動(dòng)化 驅(qū)動(dòng)合作伙伴

               鐘發(fā)儉

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上海越弗電氣技術(shù)有限公司

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SIEMENS西門(mén)子S7-300

SIEMENS西門(mén)子S7-300

SIEMENS西門(mén)子S7-300

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   1.1 系統(tǒng)的功能

    該P(yáng)LC主要是用來(lái)與DSP共同實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床中的部分操作，它主要執(zhí)行一些輔助的邏輯控制。它的主要任務(wù)如下：

    (1)接收從DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的指令字，并將其進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令信號(hào)，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作；(2)接收操作面板上的按鍵信號(hào)，并響應(yīng)相應(yīng)的操作；(3)給DSP發(fā)送應(yīng)答信號(hào)以及狀態(tài)信息；(4)將處理的結(jié)果輸出到面板上以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器。

    1.2 系統(tǒng)的組成部分

    該系統(tǒng)的核心組成部分是由控制器、運(yùn)算器以及I/O端口構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    微處理器設(shè)計(jì)

    控制器：控制器是由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”。運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元、暫存器以及數(shù)據(jù)緩沖器等組成，它是數(shù)據(jù)的加工處理部件。

    I/O端口該P(yáng)LC的I/O點(diǎn)數(shù)為l0點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出。每個(gè)端口由輸入寄存器以及相應(yīng)的端口控制部分組成。

2 系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

    2.1 控制器

    控制器的形式主要有組合邏輯控制器和微程序控制器兩種，與組合邏輯控制器相比較，微程序控制器具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中使用比較普遍，本控制器的設(shè)計(jì)采用的也是微程序控制器。微程序控制的本思想，就是仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號(hào)編成所謂的“微指令”，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。

    微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器(CM)，微地址產(chǎn)生邏輯，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等組成。

    (1)機(jī)器指令與微程序。該處理器選取了PLC指令系統(tǒng)中的十條本指令如表1所示，指令采用十位二進(jìn)制編碼格式。

    第9～6位是四位指令的操作碼字段；第5位是標(biāo)志位，用來(lái)判斷該指令有無(wú)操作數(shù)(1一有操作數(shù)，0一無(wú)操作數(shù))；第4～0位是操作數(shù)字段。

    表中每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，一段微程序包含若干條微指令，微程序的設(shè)計(jì)就具體地可落實(shí)到微指令的設(shè)計(jì) ，微指令中的控制字段作為控制命令控制計(jì)算機(jī)的操作，控制字段給出的微命令應(yīng)包含計(jì)算機(jī)操作的所有微命令，對(duì)微命令給出和表示的方法與所采用的編碼方式有關(guān)，常用的微命令表示方法有鐘表示法、編碼表示法、和混合表示法，該設(shè)計(jì)采用的是將鐘表示法和編碼表示法混合使用的混合表示法。

表1 指令系統(tǒng)

    該系統(tǒng)中的每條微指令為32位，其中低5位為下地址字段，鐘送給微地址寄存器，第5～7位為測(cè)試字段，送到微地址產(chǎn)生邏輯電路里面以控制微地址的產(chǎn)生，其余位為用來(lái)產(chǎn)生各種微命令的控制字段。

    (2)控制存儲(chǔ)器?？刂拼鎯?chǔ)器中存放的是各指令所對(duì)應(yīng)的微程序，它可以用FPGA中的LPM—ROM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。Clock為同步時(shí)鐘信號(hào)，address為5位的地址值，q為32位的微指令，當(dāng)clock上升沿到來(lái)時(shí)，rom就把a(bǔ)ddress所對(duì)應(yīng)的地址中的值輸出給q。

圖2 控存原理圖

    (3)微地址產(chǎn)生邏輯。微地址產(chǎn)生邏輯主要是根據(jù)微指令中的測(cè)試位及其他相關(guān)的條件來(lái)控制微地址的產(chǎn)生，它是根據(jù)一定的邏輯功能用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的，并且經(jīng)過(guò)編譯和綜合后生成的模塊，如圖3所示。

圖3 微地址產(chǎn)生邏輯電路原理圖

    其中，clk為同步時(shí)鐘信號(hào)，rst為復(fù)位信號(hào)，q為輸出的5位微地址值。其控制流程如下：

    (1)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，給出一個(gè)rst=1的復(fù)位信號(hào)，q端便輸出“00010”，為輸入掃描微程序的入口地址；(2)對(duì)應(yīng)的微指令就從控存中輸出，然后該微指令中的5位下地址字段鐘輸入到din端，3位測(cè)試位輸入到m端；(3)如果m=“000”，則q端輸出的地址值鐘加1，且返回(2)繼續(xù)執(zhí)行；否則，執(zhí)行下一步；(4)如果m=“001”，則看i端輸入的用戶程序指令來(lái)判斷是否需要取數(shù)操作，如果需要，則q端輸出各個(gè)取數(shù)微程序的入口地址；如果不需要，則q端根據(jù)i的操作碼輸出相應(yīng)指令的微程序入口地址，且返回(2)繼續(xù)執(zhí)行；否則，執(zhí)行下一步；(5)如果m=“010”，q端鐘輸出din的地址值，且返回(2)繼續(xù)執(zhí)行；否則，執(zhí)行下一步；(6)如果m=“011”，則q端根據(jù)i的操作碼輸出相應(yīng)指令的微程序人口地址，且返回(2)繼續(xù)執(zhí)行。

2.2 運(yùn)算器

    運(yùn)算器是用來(lái)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件，該ALU具有三輸入和兩輸出，d1和d2是參與邏輯運(yùn)算的兩個(gè)位數(shù)據(jù)，其中dl來(lái)自外部的取數(shù)，d2來(lái)自輸出暫存器s，sel是指令的操作碼。result是運(yùn)算后的結(jié)果，輸出后送給了暫存器S，q用來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器，如圖4所示。

S7-300

SIMATIC S7-300 是模塊化的微型 PLC 系統(tǒng)，可滿足中、低端的性能要求。

模塊化、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、易于實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)以及方便的操作,使得 SIMATIC S7-300 成為中、低端應(yīng)用中各種不同任務(wù)的經(jīng)濟(jì)、用戶友好的解決方案。