梯形图转VHDL逻辑表达式研究

摘要

IEC61131-3标准定义了两类编程工具:文本化编程工具和图形化编程工具,其中梯形图(Ladder Diagram)是当今最通用的图形化编程工具。可编程控制器的核心是一个顺序处理器,它的速度完全取决于CPU的主频,这极大地限制了可编程控制器性能的提升,特别是在超高速、超高精度、高可靠性的控制领域。
　　为了增强传统可编程控制器的性能,论文基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)可重配置的硬件结构以及执行机制提出了一种新的可编程控制器设计理念。由于梯形图是可编程控制器领域最通用的编程语言,因此实现梯形图到与之等效的超高速硬件描述语言VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)的转换是设计新型控制器的基础,也是论文研究的重点。论文以顶点活动图(Activity on Vertex,AOV)为基础,逻辑表达式作桥梁实现了带复杂功能模块(算术运算功能模块、比较功能模块、置位复位功能模块)、多输出梯级的梯形图到VHDL程序的转换。为了有效地实现梯形图到VHDL程序的转换,论文首次提出了多输出梯级的逆向拆分思想,较之于正向拆分,其不仅简化了梯级拆分过程而且显著改善了拆分性能。论文详细分析了带复杂功能模块、多输出梯级梯形图的依赖关系并通过转换控制依赖,使得带跳转指令(JMP指令)和子程序调用指令(CALL指令)的梯形图可以正确的转换成VHDL程序。此外,为了简化断层梯级到VHDL逻辑表达式的翻译,论文提出了一种新的算法——补层翻译算法。该算法由补层和翻译两个过程构成,补层的目的是为了实现断层梯级的修复;翻译仅针对完整梯级展开,该算法可以实现完整梯级到VHDL逻辑表达式的映射。针对任何一个完整梯级其分支的出度必然等于与其对应的归并的入度,而断层梯级无此特性。
　　为了对算法的正确性进行验证,论文设计了一个应用范例——将检测空载情况下继电器抖动次数以及每次抖动时间间隔的梯形图程序转换成可在DE2-115开发板上运行的VHDL程序。实验结果表明,梯形图不仅实现了到VHDL程序的转换,而且能在DE2-115开发板上正确的运行。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3课题来源及研究意义

1.4论文所作的工作

第二章 基于FPGA的高速可编程控制器实现相关技术

2.1 基于FPGA的高速可编程控制器实现的相关技术基础

2.2 梯形图到文本语言的转换

2.3 梯形图中的依赖关系

2.4 梯级并行编译理论

2.5本章小结

第三章 梯形图转VHDL程序算法设计

3.1梯形图转VHDL架构

3.2预处理器算法设计

3.3 转换器算法设计

3.4 VHDL架构生成器设计

3.5 本章小结

第四章 梯形图转VHDL逻辑表达式算法实现

4.1 算法总体框架

4.2 预处理器算法实现

4.3 转换器算法实现

4.4 梯形图转并行VHDL软件实现

4.5 本章小结

第五章 典型应用范例

第六章 结论及展望

6.1 工作总结

6.2 进一步的工作

致谢

参考文献

附录