论文导读：本嵌入式PLC系统利用FPGA设计为高性能的嵌入式处理器。并将以处理器为核心的嵌入式系统应用于FA506型环锭细纱机的改造。它可以用FPGA中的LPM_ROM模块来实现。基于FA506细纱机的嵌入式PLC系统的研究。
关键词：嵌入式PLC，FA506，FPGA
0 前言
FA 506型环锭细纱机是目前国内纺织机械厂大量生产的一种细纱机，通常采用传统PLC控制，自动化程度高，操作简单，成纱质量较好，便于管理。论文写作，FPGA。但传统PLC控制系统也存在固有的缺陷，由于PLC是一种通用控制器，应用到纺织机械控制系统作为现场控制装置有其局限性，需做许多硬件和软件上的改进工作，配置额外的设备和电路。论文写作，FPGA。同时PLC本身存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、硬件结构不一致，使各种PLC互不兼容。同时，PLC配合PC机控制系统监控程序的实时性、开放性和可靠性无法得到保障，其通信速度慢和PLC专用联网模块的设计也是一个很大的问题。
1 系统总体设计
本嵌入式PLC系统利用FPGA设计为高性能的嵌入式处理器，采用了基于VHDL语言的自顶向下的模块化设计方法，顶层设计使用原理图输入。并利用Visual C++实现了编译型PLC上位机软件，最后用QuartusⅡ进行仿真，并将以处理器为核心的嵌入式系统应用于FA506型环锭细纱机的改造。论文写作，FPGA。论文写作，FPGA。测试表明，该处理器能准确且快速的响应嵌入式PLC的逻辑指令，能满足工程技术指标，且较传统的PLC处理器更灵活，集成度更高。
2 嵌入式处理器设计
2.1 控制器设计
控制器的形式主要有组合逻辑控制器和微程序控制器两种，与组合逻辑控制器相比较，微程序控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点[1]，在计算机的设计中使用比较普遍，本控制器的设计采用的也是微程序控制器。微程序 控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。微程序控制器主要由控制存储器(CM)，微地址产生逻辑，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(uIR)等组成。
该处理器指令采用十位二进制编码格式。每条机器指令对应一段微程序，一段微程序包含若干条微指令，微程序的设计就具体地可落实到微指令的设计[2-3]，微指令中的控制字段作为控制命令控制计算机的操作，控制字段给出的微命图1 系统结构图
令应包含计算机操作的所有微命令，对微命令给出和表示的方法与所采用的编码方式有关，常用的微命令表示方法有直接表示法、编码表示法、和混合表示法，该设计采用的是将直接表示法和编码表示法混合使用的混合表示法。
控制存储器中存放的是各指令所对应的微程序，它可以用FPGA中的LPM_ROM模块来实现，当clock上升沿到来时，rom就把address所对应的地址中的值输出。
微地址产生逻辑主要是根据微指令中的测试位及其他相关的条件来控制微地址的产生，它是根据一定的逻辑功能用VHDL语言编写的，并且经过编译和综合后生成的模块。
2.2 运算器设计
运算器是用来对输入的数据进行算术和逻辑运算的部件，该ALU具有三输入和两输出。2.3RAM设计
RAM用来存储用户程序，它可以用FPGA中的LPM_RAM_DQ模块来实现。其中，wren是读写控制端，当wren=0时为读允许，这时在同步时钟clock的上升到来时沿将address所对应的地址中的内容给输出端；当wren=1时为写允许，这时在同步时钟clock的上升沿到来时将data端的数据写入到address所指明的地址中。论文写作，FPGA。
3 软件设计与仿真
编译型PLC下载到下位机的程序，是在上位机编译系统中编译过的程序。该程序下载到下位机后，可以直接执行，而不再需要解释；并且可以一次编译，多次执行。这种机制在上位机就完成了编译的工作，下位机通过加载程序就可以直接执行，从而节省了很多时间。这种执行机制的编辑环境和解释型PLC的编辑环境基本相同，也包含了硬件配置模块、网络设置模块、梯形图和语句表的编辑模块等，但不同的是其增加了对指令的编译处理部分[4-5]。经过编译处理，在上位机完成把应用程序转化为嵌入式机器码的工作，然后通过编译系统的串口下载功能将这些连续的机器码下载到下位机。
图4 程序仿真
为了测试指令的运行情况，本文给出了一段基于QuartusⅡ的程序仿真。仿真时给出了10位输入数据indata='1110000101'，I0. 0~I0. 4分别对应着该数据的第0位~第4位，同样Q0. 0和Q0. 1分别对应着输出端子的第0位和第1位。仿真结果的图4中：T1，T2，T3，T4为4个时钟节拍信号，out0和out1分别对应着输出端子Q0. 0和Q0. 1，因为I0. 0和I0. 2为1， I0. 3和I0. 4都为0，因此程序运行的最后结果应该是Q0. 0和Q0. 1都为1，并且从图4可以看出，仿真结果与此相同，程序运行正确说明所设计的微处理器及其指令正确可靠。
本文所设计的PLC微处理器具有很强的可修改性和可移植性，并且优化升级也很方便，可以根据特定的需要方便地增删指令和I/O端口的数量，这比传统的PLC具有更大的灵活性。另外，由于FPGA具有很高的密度，能够集成很大的系统，因而极大地提高了系统的可靠性。
4 系统在细纱机上的应用
传统的络纱技术在卷绕速度增加时，纱线质量相应下降。在PLC微处理器中采用PID（比例- 积分- 微分）算法进行调节，可以控制纱线前后张力保持稳定一致，使一个筒子上纱线张力稳定均匀，可减少纱线毛羽波动。另一方面采用FPGA的快速运算功能控制气圈控制器、气圈破裂器，以减少纱线退绕时气圈过大与空气及周围的零部件的摩擦碰撞，使纱线张力始终能保持稳定，从而减少毛羽的产生。通过对FA506细纱机嵌入式PLC改造，实现了3mm毛羽指数由原来的6.5个降低到4.5个。
细纱工序是影响条干均匀度的关键工序，生产中应根据产品的特点、纺纱原料的性质、粗纱的结构以及所使用的牵伸装置型式，通过对比纺纱试验，确定合理的嵌入式PLC工艺参数。当成纱质量要求较高但又缺少必要的有效措施时，总牵伸和局部牵伸分配不宜接近机型允许的上限，应以偏小掌握，以利于提高成纱条干。罗拉隔距、喂入粗纱的定量、牵伸型式均应与局部牵伸倍数相适应。论文写作，FPGA。罗拉加压应稳定、均匀，以确保稳定的牵伸效率。通过对FA506细纱机嵌入式PLC改造，实现了细纱条干（ CV 值）由原来的17.5%降低到16.8%。
FA506细纱机电气控制系统采用嵌入式PLC控制整个纺纱过程，提高了控制精度，解决了生产管理方面存许多缺陷。利用“提高软件设计水平来整合硬件”原则，降低了系统成本，单机实现每吨纱用电由原来的1550度降低到1350度，提高了产品盈利能力，具有广阔应用前景。
参考文献：
【1】李济顺,姜存学,梁春安,等.用VisualC++实现的嵌入式PLC梯形图编辑软件[J].河南科技大学学报:自然科学版,2006,27(5):50-54.
【2】周荣.基于FPGA的嵌入式CPU的VHDL建模和设计[J]浙江工业大学学报,2006,34(5):550-553.
【3】韦忠善,朱海燕.基于FPGA的精简指令CPU的实现[J].广西梧州师范高等专科学校学报,2005,21(1):90-94.
【4】罗燕华.嵌入式软PLC技术的研究与实现[D].武汉:华中科技大学,2006.
【5】张礼兵,吴婷.基于软PLC编译系统目标代码生成的研究与实现[J].微计算机信息,2005,21(19):89-90,40.
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