引言
順序控制邏輯電路廣泛應用于機器人、全自動家用電器、工業自動化設備及其它自動化裝置中，它常采用CPLD" title="CPLD">CPLD器件進行設計與實現。
如果直接采用原理圖輸入工具或VHDL" title="VHDL">VHDL語言描述的方法來設計順序控制邏輯電路，則設計效率不高。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器等的輸入引腳數是固定的，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雜。VHDL是一種文本設計工具，不是順序控制邏輯電路設計的專用工具，直接用它編寫的順序控制邏輯程序結構零亂，不夠直觀，編程及調試效率都不高。
梯形圖" title="梯形圖">梯形圖的原理與特性
梯形圖是可編程邏輯控制器(PLC)實現順序控制邏輯的專用設計工具，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，開發效率高，對電路設計者的要求很低，因此，電路設計者可以將更多精力用在順序控制邏輯功能的實現與優化上。
圖1 典型的順序控制邏輯電路的梯形圖
梯形圖以兩根平行的豎線分別表示電源線和地線，在這兩根豎線之間，用橫線表示電氣連接線，將各種代表邏輯量(“ON”或“OFF”)的元件觸點及輸出執行元件的線圈用橫線串接成一條電氣回路。多條這樣的回路并列在一起，形狀如同階梯，就構成了實現所需順序控制邏輯的梯形圖。
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，當所有串聯的觸點全部都處于“ON”狀態時，回路就處于導通狀態，回路末端的輸出執行元件線圈被接通。例如，當X0為“ON”，X1為“OFF”時，執行元件Y0就被接通，產生輸出動作。執行元件不能多個串聯，其觸點所代表的邏輯量可以在梯形圖中被多次反復引用。電路的各I/O信號也可以在梯形圖中被多次反復引用。
梯形圖-VHDL設計方法
如果將梯形圖法應用于CPLD開發中，采用基于梯形圖的VHDL設計方法，就可將兩種設計工具的長處相結合，從而提高順序邏輯電路設計開發的效率，簡化設計難度。
梯形圖-VHDL設計方法的總體思路是，將開發過程分為兩個階段：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計，第二階段通過VHDL語言來實現梯形圖的邏輯功能，并通過CPLD專用的開發軟件對所設計的邏輯進行仿真調試。
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。用梯形圖完成的是電路的邏輯功能設計，而VHDL語言程序用于實現其邏輯功能。二者分工協作，相得益彰。其中梯形圖-VHDL設計方法的關鍵在于梯形圖的VHDL語言描述。
梯形圖的VHDL描述方法
梯形圖由三種要素構成，即輸入信號、輸出執行元件和連接線。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準位向量(STD_LOGIC_VECTOR)說明。
可以規定輸入信號為邏輯“1”時，其狀態為“ON”；而為邏輯“0”時，其狀態為“OFF”。梯形圖中對輸入信號Xi的引用對應于VHDL程序中對Xi的直接引用，而梯形圖中對的引用則對應于VHDL程序中對(NOT Xi)的引用。
(2)輸出執行元件Yj(j=0，1，…，N)
N個輸出執行元件(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置為“BUFFER(輸出并向內部反饋)”。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準位向量(STD_LOGIC_VECTOR)說明。
可以規定輸出信號為邏輯“1”時，其狀態為“ON”；而為邏輯“0”時，其狀態為“OFF”。梯形圖中對輸出信號Yj的引用對應于VHDL程序中對Yj的直接引用，而梯形圖中對的引用則對應于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；回路右側與輸出執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系，但這樣會使程序結構很雜亂，調試很困難，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部元件來說，如定時器、狀態寄存器、移位寄存器等，可采用元件例化語句調用有關的庫元件功能進行描述，并在結構體中為其輸出聲明一個中間信號。當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，就可將用梯形圖設計的電路邏輯原型方便地逐行轉換為VHDL程序。在進行電路邏輯功能設計時，就不必為VHDL程序的語法和程序結構花費過多的時間，能更加專注于電路邏輯功能設計與優化，同時也使所編寫的VHDL程序邏輯更加清晰，可讀性更好。
應用實例
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行元件。只有當Y0啟動輸出后，才允許Y1啟動；只有當Y1啟動輸出后，才允許Y2啟動。reset為CPLD芯片的上電復位信號，低電平有效。
實現該電路控制的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，結果如圖2所示。從時序仿真的結果可以看到，電路的輸出邏輯與梯形圖原型的邏輯完全一致。
結語
本文通過對一個典型順序控制電路梯形圖的VHDL程序設計與時序仿真，表明梯形圖-VHDL設計方法是正確可行的。梯形圖法的引入使VHDL程序的設計得到簡化，所設計出的程序結構簡練，輸出邏輯表達清楚。梯形圖與VHDL程序分工明確，電路邏輯功能設計的工作由梯形圖來承擔，而VHDL程序只需負責對梯形圖的邏輯功能進行描述并生成CPLD的下載文件。這樣，對兩種設計工具各取所長，就使得用CPLD開發順序邏輯控制電路和系統的效率得到提高。