基于CPLD的自定义PLC模拟I/O模块的研究

　　0引言

　　PLC在过程控制领域应用广泛，在这些控制过程中，有许多连续变化的如温度、压力、流量、液位和速度模拟量需要测量和控制，PLC采用标准的A/D(如FX2N4A/D)及D/A(如FX2N2D/A)模块来进行模拟量的输入输出处理。但该类模块价格较贵，尤其在需要大量的模入模出信号的情况下，成本将大大增加?。该设计就是采用单片机、CPLD(复杂可编程逻辑器件)以及A/D、D/A模块等，实现一种高性价比的方案设计，不但解决PLC模拟量输入输出需求量大致使成本提高的矛盾，而且还具有一定的“柔性”，即可根据实际的情况自定义开关量和模拟量的I/O口的数量，以适应不同场合的需要，具有良好的实用价值。文中以FX2N PLC的模拟I/O模块设计为例进行讨论。

　　1系统整体设计

　　系统的整体设计如图1所示。单片机是数据采集和处理的中心;CPLD连接了单片机的输入输出数据通道，通过对CPLD的编程，实现单片机对外部通道数据的交互旧1;单片机提供了一个全双工标准接口，通过电平转换芯片MAX232及相关外围电路来实现rrrL信号和RS一232电平信号之间的转换，实现了RS一232串口通信，PLC的通信口为RS一422，其间通过RS一232/RS一422通信转换器实现单片机与PLC的通信。单片机一方面通过AJD采集现场模拟信号，并经过数据处理后将所采集的数据发送给PLC，同时单片机接收来自PLC的控制信号，将该控制信号通过D/A送出去控制现场的执行机构。为了清晰地显示数据的输入输出情况，设计了LED显示部分;为了进行相关设定，设计了键盘以便进行I/O口的定义和相关操作。

　　2数据采集卡模块

　　2.1数据采集模块的基本构成

　　单片机是数据采集模块的处理器，主要完成数据的采集，对键盘输入、数据湿示、模拟输入、模拟输出子模块进行控制和数据的处理。单片机的外部逻辑电路由可编程逻辑控制器CPLD完成，CPLD配合单片机完成模拟量的输入输出功能。模拟输入模块完成将8路0—5 V的模拟输入信号转换为数字量，并将数字量通过数据总线传送给单片机;模拟输出模块将单片机送来的数字量转换为1—5 V的模拟量并输出;数据显示模块采用两组四位的LED，用于显示通道信息和采集的数据信息;键盘输入子模块为一个4×4的键盘，可以实现对I/O模块的基本模式选择操作和相关的设定。

　　2.2 CPLD模块电路

　　CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。根据数据采集模块的要求，可选择逻辑门数量适中的MAX7000系列CPLD.通过在Quash集成开发软件画原理图、写硬件描述语言(VHDL，Verilog HDL)，编译后给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确，最终将生成的代码通过下载电缆传送并存储在CPLD芯片中¨J。单片机的P0、P2数据El，读写信号和中断信号，以及模拟输出模块片选信号，模拟输入时钟信号，启动转换信号等直接连入CPLD芯片。其外围电路如图2所示。