基于梯形圖-VHDL的CPLD開發(fā)方法研究

引言

順序控制邏輯電路廣泛應(yīng)用于機器人、全自動家用電器、工業(yè)自動化設(shè)備及其它自動化裝置中，它常采用CPLD器件進行設(shè)計與實現(xiàn)。

如果直接采用原理圖輸入工具或VHDL語言描述的方法來設(shè)計順序控制邏輯電路，則設(shè)計效率不高。這是因為順序控制邏輯電路中包含大量的I/O信號，控制邏輯就是這些I/O信號的邏輯組合，這些I/O信號在整個控制邏輯中會被大量引用，而原理圖輸入工具中的元件如邏輯門和觸發(fā)器等的輸入引腳數(shù)是固定的，邏輯引用不夠靈活，同時，I/O信號的大量引用又會使連線過于復(fù)雜。VHDL是一種文本設(shè)計工具，不是順序控制邏輯電路設(shè)計的專用工具，直接用它編寫的順序控制邏輯程序結(jié)構(gòu)零亂，不夠直觀，編程及調(diào)試效率都不高。

梯形圖的原理與特性

梯形圖是可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)順序控制邏輯的專用設(shè)計工具，用梯形圖描述的控制邏輯非常直觀易懂。梯形圖工具使用簡便，開發(fā)效率高，對電路設(shè)計者的要求很低，因此，電路設(shè)計者可以將更多精力用在順序控制邏輯功能的實現(xiàn)與優(yōu)化上。

圖1 典型的順序控制邏輯電路的梯形圖

一個典型的順序控制電路的梯形圖如圖1所示。在梯形圖的每個回路中，當(dāng)所有串聯(lián)的觸點全部都處于“ON”狀態(tài)時，回路就處于導(dǎo)通狀態(tài)，回路末端的輸出執(zhí)行元件線圈被接通。例如，當(dāng)X0為“ON”，X1為“OFF”時，執(zhí)行元件Y0就被接通，產(chǎn)生輸出動作。執(zhí)行元件不能多個串聯(lián)，其觸點所代表的邏輯量可以在梯形圖中被多次反復(fù)引用。電路的各I/O信號也可以在梯形圖中被多次反復(fù)引用。

梯形圖-VHDL設(shè)計方法

如果將梯形圖法應(yīng)用于CPLD開發(fā)中，采用基于梯形圖的VHDL設(shè)計方法，就可將兩種設(shè)計工具的長處相結(jié)合，從而提高順序邏輯電路設(shè)計開發(fā)的效率，簡化設(shè)計難度。

梯形圖-VHDL設(shè)計方法的總體思路是，將開發(fā)過程分為兩個階段：第一階段先采用梯形圖對順序邏輯電路的邏輯進行描述和設(shè)計，第二階段通過VHDL語言來實現(xiàn)梯形圖的邏輯功能，并通過CPLD專用的開發(fā)軟件對所設(shè)計的邏輯進行仿真調(diào)試。

在這里，梯形圖的作用是作為順序邏輯電路的邏輯原型，是VHDL語言編程的依據(jù)。用梯形圖完成的是電路的邏輯功能設(shè)計，而VHDL語言程序用于實現(xiàn)其邏輯功能。二者分工協(xié)作，相得益彰。其中梯形圖-VHDL設(shè)計方法的關(guān)鍵在于梯形圖的VHDL語言描述。

梯形圖的VHDL描述方法

梯形圖由三種要素構(gòu)成，即輸入信號、輸出執(zhí)行元件和連接線。在VHDL程序中必須采用特殊方法對這三要素進行有效的描述。

(1)輸入信號Xi(i=0，1，…，M)
M個輸入信號必須在實體的端口說明語句(PORT語句)中予以說明。在PORT語句中，各輸入信號可以單獨說明，也可將一組或一類輸入信號用一個標(biāo)準(zhǔn)位向量(STD_LOGIC_VECTOR)說明。

可以規(guī)定輸入信號為邏輯“1”時，其狀態(tài)為“ON”；而為邏輯“0”時，其狀態(tài)為“OFF”。梯形圖中對輸入信號Xi的引用對應(yīng)于VHDL程序中對Xi的直接引用，而梯形圖中對的引用則對應(yīng)于VHDL程序中對(NOT Xi)的引用。

(2)輸出執(zhí)行元件Yj(j=0，1，…，N)
N個輸出執(zhí)行元件(即輸出信號)也必須在實體的端口說明語句(PORT語句)中予以說明。如果某輸出信號在梯形圖中的其它位置需要被引用，則在PORT語句中必須將其端口模式設(shè)置為“BUFFER(輸出并向內(nèi)部反饋)”。在PORT語句中，各輸出信號可以單獨說明，也可將一組或一類輸出信號用一個標(biāo)準(zhǔn)位向量(STD_LOGIC_VECTOR)說明。

可以規(guī)定輸出信號為邏輯“1”時，其狀態(tài)為“ON”；而為邏輯“0”時，其狀態(tài)為“OFF”。梯形圖中對輸出信號Yj的引用對應(yīng)于VHDL程序中對Yj的直接引用，而梯形圖中對的引用則對應(yīng)于VHDL程序中對(NOT Yj)的引用。

(3)連接線
梯形圖中的連接線有四種：回路最左側(cè)的橫線為回路起始線(母線)；回路中部的橫線為“與”邏輯連接線；回路中部的豎線為“或”邏輯連接線；回路右側(cè)與輸出執(zhí)行元件相連的線為輸出線。

在VHDL程序中，可用“與”邏輯運算符“AND”代替梯形圖中的“與”邏輯連接線，用“或”邏輯運算符“OR” 替梯形圖中的“或”邏輯連接線，用信號賦值運算符“=” 代替梯形圖中的輸出線。

這樣，梯形圖中的每一個電氣回路都可很方便地用一條對輸出信號的賦值語句來描述。賦值語句的左邊是輸出信號，右邊是一個由各輸入/輸出信號及與/或運算符構(gòu)成的邏輯表達式。

雖然在VHDL程序中也可以用IF分支語句來描述梯形圖各回路中信號的邏輯關(guān)系，但這樣會使程序結(jié)構(gòu)很雜亂，調(diào)試很困難，可讀性也較差，因此不推薦用IF語句來描述梯形圖回路中的邏輯，而建議采用邏輯表達式給輸出信號賦值的描述方法。

對于梯形圖中那些不向外輸出信號的內(nèi)部元件來說，如定時器、狀態(tài)寄存器、移位寄存器等，可采用元件例化語句調(diào)用有關(guān)的庫元件功能進行描述，并在結(jié)構(gòu)體中為其輸出聲明一個中間信號。當(dāng)這類元件有輸出信號時，將其輸出信號賦值給聲明好的中間信號，電路中其它位置就可對該中間信號或者它的取反信號進行引用。 通過以上各描述方法，就可將用梯形圖設(shè)計的電路邏輯原型方便地逐行轉(zhuǎn)換為VHDL程序。在進行電路邏輯功能設(shè)計時，就不必為VHDL程序的語法和程序結(jié)構(gòu)花費過多的時間，能更加專注于電路邏輯功能設(shè)計與優(yōu)化，同時也使所編寫的VHDL程序邏輯更加清晰，可讀性更好。

應(yīng)用實例

以下通過圖1所示的典型的順序控制電路的實例來說明梯形圖的VHDL描述方法。

在圖1中，X0、X2和X4分別是三個輸出回路的啟動信號，X1、X3和X5分別是三個輸出回路的停止信號，Y0、Y1和Y2分別是三個輸出回路的輸出執(zhí)行元件。只有當(dāng)Y0啟動輸出后，才允許Y1啟動；只有當(dāng)Y1啟動輸出后，才允許Y2啟動。reset為CPLD芯片的上電復(fù)位信號，低電平有效。

實現(xiàn)該電路控制的VHDL程序邏輯如下：
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY sequence IS
PORT(X0, X1, X2, X3, X4, X5: IN STD_LOGIC;
RESET: IN STD_LOGIC;
Y0, Y1, Y2 : BUFFER STD_LOGIC);
END sequence;
ARCHITECTURE ladder OF sequence IS
BEGIN
PROCESS(RESET, X0,X1,X2,X3,X4,X5)
BEGIN
IF (RESET='0') THEN
Y0='0'; Y1='0'; Y2='0';
ELSE
Y0=(X0 OR Y0)AND (NOT X1);
Y1=(X2 OR Y1)AND (NOT X3)AND Y0;
Y2=(X4 OR Y2)AND (NOT X5)AND Y1;
END IF;
END PROCESS;
END ladder;

利用MAX+PLUS II的定時仿真工具對上面的程序進行仿真，結(jié)果如圖2所示。從時序仿真的結(jié)果可以看到，電路的輸出邏輯與梯形圖原型的邏輯完全一致。

結(jié)語

本文通過對一個典型順序控制電路梯形圖的VHDL程序設(shè)計與時序仿真，表明梯形圖-VHDL設(shè)計方法是正確可行的。梯形圖法的引入使VHDL程序的設(shè)計得到簡化，所設(shè)計出的程序結(jié)構(gòu)簡練，輸出邏輯表達清楚。梯形圖與VHDL程序分工明確，電路邏輯功能設(shè)計的工作由梯形圖來承擔(dān)，而VHDL程序只需負責(zé)對梯形圖的邏輯功能進行描述并生成CPLD的下載文件。這樣，對兩種設(shè)計工具各取所長，就使得用CPLD開發(fā)順序邏輯控制電路和系統(tǒng)的效率得到提高。