《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验教学改革探索

《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验教学改革探索（精选2篇）

1.《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验教学改革探索 篇一

PLC可编程逻辑器件的选择方法

摘要：介绍了在控制系统中选择PLC的一般方法，详细说明了在PLC机型的多样性，以及在PLC的输入输出点数功能等方面作如何选择。

关键词：PLC I/O 选择 开关量 模拟量 数字量

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。

1 机型的选择

PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。

在工艺过程比较固定、环境条件较好(维修量较小)的场合，建议选用整体式结构的PLC;其它情况则最好选用模块式结构的PLC。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等)，可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合

序 号应用对象功 能 要 求应 用 场 合1替代继电器继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器替代传统使用的继电器，完成条件控制和时序控制功能2数学运算四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算设定值控制、流量计算;PID调节、定位控制和工程量单位换算3数据传送寄存器与数据表的相互传送等数据库的生成、信息管理、BAT-CH(批量)控制、诊断和材料处理等4矩阵功能逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位(位修改)、移位和变反等这些功能通常按“位”操作，一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等5高级功能表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等6诊断功能PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种。内诊断是PLC内部各部件性能和功能的诊断，外诊断是中央处理机与I/O模块信息交换的诊断--7串行接口(RS-232C)一般中型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口(RS-232C)，以例连接打印机、CRT、上位计算机或另一台PLC--8通信功能现在的PLC能够支持多种通信协议。比如现在比较流行的工业以太网等对通信有特殊要求的用户

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理;同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发;此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

2 输入/输出的选择

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。

通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

2.1 确定I/O点数

根据控制系统的.要求确定所需要的I/O点数时?应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。

表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

序 号电气设备、元件输入点数输出点数序 号电气设备、元件输入点数输出点数1Y-起动的笼型异步电动机4312光电管开关2-2单向运行的笼型异步电动机4113信号灯-13可逆运行的笼型异步电动机5214拨码开关4-4单向变极电动机5315三档波段开关3-5可逆变极电动机6416行程开关1-6单向运行的直流电动机9617接近开关1-7可逆运行的直流电动机12818制动器-18单线圈电磁阀2119风机-19双线圈电磁阀3220位置开关2-10比例阀3521单向运行的绕线转子异步电动机3411按钮1-22可逆运行的绕线转子异步电动机45

2.2 开关量输入/输出

通过标准的输入/输出接口可从传感器和开关(如按钮、限位开关等)及控制(开/关)设备(如指示灯、报警器、电动机起动器等)接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。

尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的抖动电路;免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。

在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

2.3 模拟量输入/输出

模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+10V、4～20mA或10～50mA。

一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号?如RTD、热电偶等?。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混合信号。

2.4 特殊功能输人/输出

在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定?如定位、快速输入、频率等?。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从耗时的任务处理中解脱出来。

2.5 智能式输入/输出

当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的输入/输出模块。一般智能式输入/输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

智能式输入/输出模块有高速计数器(可作加法计数或减法计数)、凸轮模拟器(用作绝对编码输人)、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII/BASIC处理器、RS―232C/422接口模块等。表3归纳了选择I/O模块的一般规则。

表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则

I/O模块类型现场设备或操作(举例)说 明离散输入模块和I/O模块选择开关、按钮、光电开关、限位开关、电路断路器、接近开关、液位开关、电动机起动器触点、继电器触点、拨盘开关输入模块用于接收ON/OFF或OPENED/CLOSED(开/关)信号，离散信号可以是直流的，也可以是交流的离散输出模块和I/O模块报警器、控制继电器、风扇、指示灯，扬声器、阀门、电动机起动器、电磁线圈输出模块用于将信号传递到ON/OFF或OPENED/CLOSED(开/关)设备。离散信号可以是交流或直流模拟量输入模块温度变送器、压力变送器、湿度变送器、流量变送器、电位器将连续的模拟量信号转换成PLC处理器可接受的输入值模拟量输出模块模拟量阀门、执行机构、图表记录器、电动机驱动器、模拟仪表将PLC处理器的输出转为现场设备使用的模拟量信号(通常是通过变送器进行)特种I/O模块电阻、电偶、编码器、流量计、I/O通信、ASCII、RF型设备、称重计、条形码阅读器、标签阅读器、显示设备通常用作位置控制、PID和外部设备通信等专门用途

3 PLC存储器类型及容量选择

PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法

控制目的公 式说 明代替继电路M=Km(10DI+5D0)DI为数字(开关)量输入信号;Do为数字(开关)量输出信号;AI为模拟量输入信号;Km为每个接点所点存储器字节数;M为存储器容量模拟量控制M=Km(10DI+5Do+100AI)多路采样控制M=Km[10DI+5Do+100AI+(1+采样点×0.25]

4 软件选择

在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

5 支撑技术条件的考虑

选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：

(1)编程手段

●便携式简易编程器主要用于小型PLC，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器。

●CRT编程器适用于大中型PLC，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本。

●由于IBM―PC已得到普及推广，IBM―PC及其兼容机编程软件包是PLC很好的编程工具。目前，PLC厂商都在致力于开发适用自己机型的IBM―PC及其兼容机编程软件包，并获得了成功。

(2)进行程序文本处理

●简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑;

●程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用。

●图形和文本的处理。

(3)程序储存方式

对于技术资料档案和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或EEPROM存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。

(4)通信软件包

对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用PLC的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。

6 PLC的环境适应性

由于PLC通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。

一般PLC及其外部电路(包括I/O模块、辅助电源等)都能在表5所列的环境条件下可靠工作。

表5 PLC的工作环境

序 号项 目

说 明

1湿度工作温度范围为0～55℃，最高为60℃，贮存温度范围为-40～+85℃2湿度相对湿度5%～95%*无凝结霜)3振动和冲击满足国际电工委员会标准4电源采用220V交流电源，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，瞬间停电保持10ms5环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

7 结束语

随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的控制系统。

2.《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验教学改革探索 篇二

关键词：教学实践,课程建设,可编程逻辑器件,Verilog HDL语言

1 课程背景

CPLD/FPGA的应用开发是电子类和计算机工程类专业的一门重要的工具类专业课程。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具进行硬件电子电路系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。

通过该课程建设, 旨在研究并建立适应计算机工程专业方向这门课程的软硬件教学环境, 使学生在掌握Verilog硬件描述语言理论知识的同时, 更注重在实践中的应用。同时将业界最新的知识和技巧融入到教学过程中, 侧重知识的先进性和实用性, 使学生掌握当前嵌入式软件开发的精髓和开发调试技巧, 提高学生对数字系统的研发能力, 达到我校应用型人才培养的办学目标。

课程建设前的教学情况, 教学大纲比较陈旧, 不符合业界新的知识和技巧, 不能授于学生先进和实用的知识;缺乏合适实践环节的训练, 使学生难以将理论知识和实践相结合, 动手能力得不到锻炼;课件比较死板沉闷, 难以调动学生上课积极性和学知识的兴趣性。

2 教学内容设计

2.1 开发平台选择

Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件, 它支持原理图、VHDL、Verilog HDL等多种设计输入形式, 软件还内嵌有综合器以及仿真器, 这些都可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。

Verilog HDL (HDL:Hardware Description Language) 语言是一种以文本形式来描述数字电路和系统硬件结构和功能行为的高级编程语言, 用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式, 还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能行为。使用Verilog HDL描述硬件的基本设计单元是模块 (module) 。一个模块相当于一个实际的电路元件。Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的两种硬件描述语言, 都是在20世纪80年代中期开发出来的。两种HDL均为IEEE标准。其中Verilog起源于C语言, 易学易用, 编程风格灵活、简洁, 易掌握, 而VHDL起源于ADA语言, 格式严谨, 不易学习。

如图1所示为课程实验和课程设计所用到的FPGA实验箱。

FPGA教学实验箱把分离的模块全部整合到一块FPGA教学实验箱底板上, 以该底板为基础, 充分采用模块化设计思想。该实验箱箱底板采用标准的IDC插针, 它可以可将FPGA核心模块、I/O模块、A/D模块、D/A模块通过插针连接到实验箱底板上。实验箱底板上专门开辟了一块用户自定义区域, 包括了三相D/A模块、单片机&外设接口模块、多路线性电源模块等, 极大的方便了设计者的使用。

结合本校学生特点, 本门课程实验装置采用FPGA教学实验箱, 编程语言采用类似于C语言的Verilog HDL, Quartus II软件作为开发工具软件。

2.2 教学内容规划

可编程逻辑器件应用课程教材采用北京航空航天大学出版社的《Verilog数字系统设计教程》, 要求学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。总学时为48学时, 其中理论课32学时, 实验16学时。理论课学时分配如下:

1) Verilog的基本知识2学时, 讲述硬件描述语言HDL概念及其分类;Verilog HDL语言的历史, 应用情况和设计方法;FPGA芯片内部结构基本原理。

2) Verilog语法的基本概念讲述2学时, 先举几个简单的例子, 引申出Verilog模块的基本概念和编程方法要求;再讲述验证Verilog模块功能正确与否的测试模块的编写。

3) Verilog语法基础知识4学时, 对Verilog语言的模块结构、数据类型、各类运算符及表达式等方面做讲解。

4) 各类语句知识8学时, 主要对条件语句、case语句、循环语句、顺序块语句、并行块语句、生成语句、结构说明语句及常用系统任务等做了讲解, 并在最后举例解释说明。

5) Verilog HDL模型的不同抽象级别2学时, 分别从门级结构和行为描述级进行举例说明, 给Verilog HDL模型的不同抽象级别建模的过程和方法,

6) 编写和验证简单的纯组合逻辑模块2学时, 主要对加法器、乘法器、比较器、多路器等几个常见的纯组合逻辑模块进行建模和验证。

7) 同步状态机的原理、结构和设计6学时, 主要讲述状态的概念和结构;Mealy状态机和Moore状态机的不同点;重点举例讲述如何用Verilog来描述可综合的状态机, 该部分是本课程的重点知识, 通过举例同学生息息相关的现实问题引申出如何描述可综合的状态机。

8) 深入理解阻塞和非阻塞赋值的不同4学时, 主要讲授阻塞和非阻塞赋值的异同、Verilog模块编程要点、Verilog层次化事件队列、阻塞赋值及一些简单的例子。

课程实验设计与学时分配如表1所示:

3 课程教学具体实施方案

1) 教学内容建设

在理论教学方面, 本课程紧密跟踪学科前沿, 及时充实教学内容, 形成教学科研互促互动。依据本课程在教学计划中的地位和课程的特点, 形成一套以应用能力培养为主的教学素材库, 主要有:

教学指导文件包括:理论课教学大纲、课程设计教学大纲、教学计划。

教材包括:理论教材和实训教材。

教与学的媒体包括:教学教案、教学课件、课程作业、教学案例、实验内容。

并建立课程重要内容的习题库和试题库, 以及进行实际应用系统的毕业设计。

2) 教学方法的改革

以现代化教学手段为依托, 以充分利用多功能教室、多媒体教室、校园网等综合应用的现代化教学手段, 实行启发式、项目式、研讨式等多种教学方法灵活应用的教学方法, 形成一套能够使抽象的内容形象化、深奥的内容通俗化的课程教学模式。

3) 加强实践环节

在课程建设中注重学生实践能力的培养。教学团队在理论课开设的同时, 利用现有实验环境, 调研行业嵌入式硬件开发要求和最新技术, 建立紧密配合理论教学内容的硬件实验环境, 并编写配套实验指导书和课程设计指导书;使学生的理论和实践相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。

4 课程教学效果

1) 课程教学对教学质量的促进

通过该课教学, 特别利用生动的课件, 贴近实际应用的案例分析, 及灵活多变的实验教学, 使学生提高了学习《可编程逻辑器件应用》课程的兴趣, 充分了解该课在嵌入式系统设计的重要性。另一方面, 通过课程的教学使学生拓宽了视野, 学到一种全新的基于硬件电路的设计方法。大大增强了学生独立学习的能力, 学生不再满足于老师的被动教学方式, 开始主动学习, 学习效果大大提高, 学习成绩逐年提高。

2) 综合实践能力提高

课程教学打破传统的教学方式, 先举简单例子, 引申出需讲解知识点, 再综合实际应用实例讲解。整个教学过程采用实例贯穿式教学, 由浅入深, 逐步引出知识点的运用与实现。学生在学习知识点过程中这种跟实际应用实例相结合的方式, 能更好理解理论知识。另课程采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 使学生的理论知识进一步与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。最后利用一周时间, 让每个学生在FPGA实验箱上设计一个较大型、综合性的可编程逻辑控制器, 加深学生对本课程专业知识和理论知识的认识和理解, 提升学生应用本课程知识体系, 进行应用系统硬件、软件开发的能力, 培养了学生的综合实践开发能力。

5 结语

本课程是计算机工程方向专业学生的重要的专业必修课。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。本课程教学主要内容涵盖Verilog HDL语言的编程规则和方法, 对硬件电路中的组合逻辑模块和时序逻辑模块从不同抽象级别进行建模和验证, 及利用Verilog HDL语言描述可综合的状态机。教学方式采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 由浅入深, 使学生的理论知识与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养, 达到良好的教学效果。

参考文献

[1]王金明.数字系统设计与Verilog HDL (第4版) .北京:电子工业出版社, 2011

[2]周润景.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例 (第2版) .北京:电子工业出版社, 2013