本课题在项目组前期工作的基础之上,应用STM32F407IGT6与EP4CE10F17C8N作为核心控制器,对FPGA中各个功能模块电路、时序和指令系统进行了优化设计。本文主要研究采用ARM和FPGA作为处理器的小型PLC系统的FPGA控制模块,分析PLC的工作原理及PLC的硬件结构和指令系统。PLC的FPGA控制模块需要完成逻辑运算指令的执行,定时计数功能,输入数据采集功能和输出数据刷新功能。本文应用FPGA设计了ARM和FPGA的接口电路、输入数据采集数字电路模块、输出数据刷新数字电路模块,逻辑运算控制器,以及各个功能模块的指令格式和ARM侧指令向FPGA侧指令的转化,主要取得了以下成果:(1)设计了ARM和FPGA接口电路,实现FPGA与ARM间的数据交换,并按照各个功能模块指令格式需求以及接口电路的特点对双口RAM存储区域进行了地址分配和区域划分,设计了双口RAM中存储的指令的格式。完成ARM-FPGA数据存储、交换实验。(2)根据已设计的FPGA各个功能模块的指令格式,分析PLC运行状态和编辑状态,以及ARM顺序执行指令序列、FPGA并行执行的特点,根据ARM向FPGA发送的指令的格式,优化设计如何将FPGA接收处理的ARM指令换成FPGA各个功能模块的指令格式,并规范FPGA各个功能模块读写指令的时序。(3)根据FPGA并行处理的特点,设计应用FPGA实现的多操作位逻辑运算控制器,归纳和分析逻辑运算控制器对总线时序的要求。优化逻辑运算指令的编码格式,完成了多操作位逻辑运算控制模块的封装。(4)设计了小型PLC的输入采集电路模块,其中包括PLC外部的PLC输入调理电路和利用FPGA实现的输入数据采集数字电路。设计了小型PLC的输出刷新模块,其中包括PLC外部的输出驱动电路和利用FPGA实现的输出数据刷新数字电路。完成了输入模块,输出模块的封装。(5)对设计好的输入输出模块,逻辑运算控制器进行了仿真测试。首先在Quartus开发环境中进行编译,将编译仿真正确的verilog HDL程序下载到Altera公司的CycloneⅣ系列EP4CE10F17C8N芯片上进行板级测试。