CN111273600A - 一种基于龙芯2k1000主处理芯片的plc模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块设计方法。包括整个设计方法的硬件和软件的架构和实现,阐述了一种高度国产化、完全自主研发的PLC模块的设计方法。该PLC模块产品可应用在适合于国防控制***、医药生产控制***、电力控制***、工程机械控制***等。
Description
技术领域
本发明控制***技术领域,功能比较单一,性能可靠,是中小型机械控制***和的核心控制单元,特别是电力、医药、国防和工程机械领域。
背景技术
PLC是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。目前,龙芯2K1000主处理模块的PLC具有国产化程度高、自主可控性强、可靠性高、组网方便等特点,适合于国防控制***、医药生产控制***、电力控制***、工程机械控制***等,有着非常广泛的应用。
目前国内外已有的西门子和ARM系列的PLC模块,但在一些特殊应用环境下,通常国外产品垄断,核心代码不公开,售后服务不及时,bug多却不提供相关解决措施等等,在涉及国家核心安全领域,不能满足实际的使用的要求。
发明内容
本发明的目的在于寻求一种小型化、低功耗、适用于宽温环境的完全自主可控的国产PLC模块,完全可以替代国外同类产品。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块,包含龙芯2K1000处理器与DDR3内存颗粒、M2接口存储芯片、PHY芯片、CAN收发器、串口接口芯片互连。FPGA通过PCIe总线与龙芯2K1000处理器互连,为计算机模块提供了灵活可配、资源丰富的接口。
所述2K1000处理器与DDR3内存颗粒、M2接口存储芯片、PHY芯片、CAN收发器、串口接口芯片均位于PLC模块上。
一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块的电路结构上采用集成化设计。在保证模块可靠性的前提下,尽可能减小模块尺寸。
所述的CPU采用选用龙芯2K1000。龙芯2K1000处理器主要面向于网络应用,兼顾平板应用及工控领域应用。采用40nm工艺,片内集成2个GS264处理器核,主频 1GHz,64位DDR3控制器,以及各种***IO接口。
龙芯2K1000处理器内部集成有1个64位/DDR2/DDR3内存控制器。考虑到主板遵循COM-E规范,板卡尺寸较小,所述的内存模块采用板载内存颗粒的方式进行扩展。通过处理器集成的控制器连接到各个颗粒,每个控制器连接4片500MB的DDR3 16位的DDR3内存颗粒,共计4片,总容量2GB。
所述的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。
所述的1553总线协议为DDC公司的BU-61580,通过与FPGA互联提供2路1553B 总线接口,互相冗余。
所述的CAN收发器PCA82C250芯片,通过与龙芯2K1000处理器互联输出2路CAN2.0接口。
所述的转换芯片是Analog Device的ADV7125KSTZ140(工业级140MSPS,商业级最大可到330MSPS),通过与与龙芯2K1000处理器互联输出36路GPIO。
所述的显示输出SN65LVDS93A芯片通过与龙芯2K1000处理器的DVO接口互联输出LVDS。
所述的上电时序控制芯片是一颗单片机ATMEGA128A-MU,用于上电时序控制,Reset控制。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)本发明的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块实现,具有自主可控、安全可靠、集成度高等特点;2)本发明的模块采用龙芯2K1000处理器,提供了丰富的配置灵活的接口;3)本发明的模块通过集成化设计,便于可靠性设计,使得模块能够适应多种行业的恶劣环境。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块原理框图。
图2为ADV7125KSTZ140内部框图(FPGA设计电路功能框图)。
图3为SN65LVDS93A原理框图。
图4为KSZ9031RNX芯片原理结构框图。
图5为基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块工作电压转换电路图。
具体实施方式
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块,基于龙芯2K1000处理器,对外使用SPI总线连接BIOS芯片。CPU对外引出USB2.0接口、SDIO接口、RGMII网络接口、CAN2.0接口、DVO显示接口等。通过PCIE桥片或在 FPGA中使用PCIE转Local Bus IP核的方式连接FPGA,通过FPGA扩展***所需的1553B、 GPIO接口。该模块采用***式接触,使用螺钉加固安装,具有高抗震动、抗冲击。
本PLC模块采用5V输入,为实现板卡功能需要转换其他电压为板卡上的芯片供电。处理器采用龙芯中科双核核CPU芯片2K1000,集成两个GS264处理器核,主频1GHz,功耗5W。该芯片集成了丰富的功能模块,可直接用于扩展USB接口、SATA接口、UART接口、10/100/1000M以太网接口、CAN接口。
BIOS(基本输入输出***)在整个***中的地位是非常重要的,它是硬件层和操作***层的桥梁,本设计FLASH采用16MB SPI闪存。
本板采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。该系列FPGA采用高性能、低功耗(HPL)28nm工艺制造而成,可提供大批量10G光学有线通信设备等各种应用所需的高性能10.3Gbps或低成本优化的6.5Gbps串行连接器、存储器和逻辑性能。而且还实现了信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡,能支持长期LTE 无线网络部署。
该FPGA实现Microblaze硬件平台的搭建,实现对61580控制,读出相关的1553B 报文,将相关的控制和数据按照特定的格式存储在双口RAM,或者从双口中读出相关的控制和数据,实现对61580的控制;通过FPGA引出可编程控制的IO接口,通过电平转换芯片,实现60路GPIO接口功能,如图2所示。
主板的处理器选用龙芯2K1000。龙芯2K1000处理器主要面向于网络应用,兼顾平板应用及工控领域应用。采用40nm工艺,片内集成2个GS264处理器核,主频1GHz, 64位DDR3控制器,以及各种***IO接口。
龙芯2K1000处理器内部集成有1个64位/DDR2/DDR3内存控制器。考虑到主板遵循COME规范,板卡尺寸较小,因此主板的内存模块采用板载内存颗粒的方式进行扩展。通过处理器集成的控制器连接到各个颗粒,每个控制器连接4片4Gb的DDR3 16位的DDR3 内存颗粒,共计4片,总容量2GB,后续如果有需要,可以将内存颗粒更换为8Gb,这样总容量可以扩大至4GB。
由于龙芯2K1000没有集成VGA接口,需要通过DVO来转接。我们这里选用的是Analog Device的ADV7125KSTZ140(工业级140MSPS,商业级最大可到330MSPS)。 ADV7125是一款单芯片、三通道、高速数模转换器,内置三个高速、8位、带互补输出的视频DAC、一个标准TTL输入接口以及一个高阻抗、模拟输出电流源。它具有三个独立的8位宽输入端口。只需一个+5V/+3.3V单电源和时钟便能工作。ADV7125还具有其他视频控制信号:复合SYNC和BLANK;以及省电模式。这款产品还有国产PIN 脚兼容的芯片,方便后续进行国产化转化。
ADV7125采用5V CMOS工艺制造,单芯片CMOS架构可确保以较低功耗提供更多功能。ADV7125KSTZ140内部框图如图2,相对而言,这颗单芯片的DVO转VGA 方案应用比较简单。按照参考设计就可以。需要注意的是,这款芯片没有集成对显示器的DDC(I2C)读取,原理图需要将VGA接口的DDC信号直接连接到2K1000的I2C引脚。因2K1000没有专用的VGA DDC控制器,而且仅有2个专用的SMBUS(I2C)控制器,因此我们这里直接连接到了2K1000的GPIO0和GPIO1,用GPIO模拟I2C。由固件和内核读取外接显示器的DDC信息,然后通过DVO接口改变分辨率。
龙芯2K1000也没有集成LVDS驱动器,同样需要通过另外一路DVO来转换。我们选用的是TI的SN65LVDS93A。SN65LVDS93A发送器在单个集成电路上包含了四个7 位并联负载串行输出移位寄存器、一个7X时钟合成器以及五个低压差分信号(LVDS) 线路驱动器。凭借这些功能,该器件可通过5条平衡双股线同步发送28位单端低电压晶体管-晶体管逻辑(LVTTL)数据,这些数据将由具有集成LVDS接收器的LCD面板等兼容接收器来接收。
发送数据时,数据位D0至D27会在输入时钟信号(CLKIN)边沿逐个载入寄存器。可通过时钟选择(CLKSEL)引脚来选择时钟的上升沿或下降沿。CLKIN的频率会进行7倍倍频,然后用于以串行方式分7位时间片上传数据寄存器。接着会将4个串行数据流和锁相时钟(CLKOUT)输出至LVDS输出驱动器。CLKOUT的频率与输入时钟(CLKIN)相同。
SN65LVDS93A无需外部元件或者很少,而且也无需控制。发送器输入端的数据总线与接收器输出端的相同,数据传输对于用户而言是透明的。用户唯一能够干预的是选择时钟上升沿(向CLKSEL输入高电平)或下降沿(向CLKSEL输入低电平),以及能够使用关断/清零(SHTDN)引脚。SHTDN是一个低电平有效输入,可禁用时钟并关断LVDS输出驱动器,从而降低功耗。该信号为低电平时,可将所有内部寄存器置为低电平。
SN65LVDS93A内部原理框图如下4所示,同样这款芯片没有集成DDC转换,需要2K1000通过GPIO模拟I2C来调整LCD屏幕的分辨率。当屏幕固定时,可以在固件或者内核里面将分辨率固化。
此主板上仅需要一个千兆网络,因此只使用了GMAC0,选用的RGMIIPHY型号是Microchip/Micrel的KSZ9031RNX。这是一款工业级的单芯片PHY。支持 10M/100M/1000M的自动协商;可配置的LED引脚用于只是LINK/ACTIVE和不同的速率。KSZ9031RNX芯片原理结构框图如图4所示,主板上只留有PHY芯片,网络变压器及接口部分由底板提供。
由于龙芯2K1000对上电时序有严格要求,如果由硬件外搭电路来实现比较麻烦,而且占主板空间比较大,并且不大好调整。因此引入了一颗单片机 ATMEGA128A-MU,用于上电时序控制,Reset控制;同时可以挂载在CPU的I2C上当从设备,CPU可以通过I2C访问EC,这样可以将MAC地址等信息烧录在EC芯片里面,而不需要其他额外的EEPROM;同时可以将部分简单加密的信息存放于EC。
此主板工作电源如下表1所示,主板总共功耗约9W,考虑到电源转换效率,极端情况整板功耗最大可达15W。
表1基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块工作电源
此功能主板上工作电压通过COM-E连接器引入5V工作电压,再通过电源转换芯片实现电压的转换,具体转换电路图如图5所示。
本发明的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块采用龙芯2K1000主处理芯片为主处理芯片,具有国产化程度高、自主可控性强、可靠性高、组网方便等特点。
Claims (8)
1.一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于,包括龙芯2K1000处理器以及与其互连的内存模块、通过SPI总线连接的BIOS芯片、通过PCIE桥片连接FPGA,通过FPGA连接Bu-61580输入输出两路1553B和12路GPIO、选用的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发、通过CAN收发器PCA82C250芯片输出2路CAN2.0接口、通过电平转换芯片输出36路GPIO。
2.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于,所述功能主板采用龙芯2K1000嵌入式处理器,双核、主频1GHz,内置1M二级缓存,对外引出USB2.0接口、SDIO接口、RGMII网络接口、CAN2.0接口、DVO接口等。
3.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于BIOS电路设计FLASH采用16MB SPI闪存。
4.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于通过PCIE桥片连接FPGA,实现对61580的控制,读出相关1553B报文。
5.根据权利要求4所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于选用的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。
6.根据权利要求4所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于采用的1553总线协议为DDC公司的BU-61580。
7.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于用通过CAN收发器PCA82C250芯片输出2路CAN2.0接口。
8.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于通过电平转换芯片输出36路GPIO。
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