摘要：為實現PLC低成本，個性化的社會需求，提出一種嵌入式PLC設計方案，重點討論了系統(tǒng)的總體構成以及軟、硬件設計方法。系統(tǒng)采用ARM作為主控芯片，以CAN總線作為主要通信接口，結合嵌入式實時操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性和實時性。實驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通信可靠，能夠滿足基本的工業(yè)應用需求。
關鍵詞：可編程邏輯控制器；ARM；嵌入式系統(tǒng)；CAN總線
0 前言
可編程邏輯控制器(PLC)，一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬輸入／輸出控制各種類型的機械或生產過
程，是工業(yè)控制的核心部分。隨著工業(yè)技術的發(fā)展以及規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的PLC面臨著IO點數增多、通訊功能需要增強等諸多方面的挑戰(zhàn)，已無法滿足個性化、差異化的需求。
現有的設計主要有工控機、單片機板等。工控機在互連、表達、算法等方面優(yōu)勢明顯，但其實時性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求，通常用于監(jiān)控。單片機系統(tǒng)在成本控制上更加靈活，可是沒有操作系統(tǒng)使其只能應用于低端場合。具有嵌入式操作系統(tǒng)的PLC將能結合兩者的優(yōu)點，成為PLC領域的主要研究方向。本文介紹以嵌入式芯片STM32和CAN總線相結合的方式進行嵌入式PLC設計，并采用μC／OS-II實時操作系統(tǒng)，利用其開放性、模塊化和可擴展性的系統(tǒng)結構特性來達到高實時要求的PLC控制，在保證實時性的同時，實現多點位、復雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標。
1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。本設計采用ST公司生產STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，它集成了兩個CAN控制器，并為每個CAN控制器分配了256字節(jié)的SRAM，每個CAN控制器有3個發(fā)送郵箱和兩個接收FIFO。它主要負責采集、處理開關量和模擬量輸入，控制開關量輸出，同時通過CAN總線完成與上位機的通信。
開關量的輸入，為了減少外部開關對系統(tǒng)的干擾，首先在輸入端用光電耦合器隔離，再由IO口分別讀取12路通道的輸入，讀取的開關量可以存儲在ARM的存儲器內。ARM對開關量數據進行處理，一方面通過CAN總線將數據傳輸到上位機；另一方面將開關狀態(tài)由LED實時顯示輸入開關量狀態(tài)。對于13路的開關量輸出，ARM通過CAN總線得到上位機傳來的開關量輸出數據，并且將數據進行處理，一方面通過控制繼電器的鎖存器將數據鎖存，完成對繼電器的開關控制；另一方面將開關狀態(tài)由LED實時顯示輸出開關量狀態(tài)。模擬量的采樣則通過信號放大調理電路及相應的控制電路，然后對其進行A／D轉換，轉換后的數字量讀入PLC系統(tǒng)的輸入映像緩沖區(qū)，從而完成對模擬量的采集。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 開關量輸入輸出模塊
開關量輸入電路的功能是接收工業(yè)現場各種開關量信號的輸入，并將其轉換成符合CPU要求的標準邏輯電平。為提高控制器的抗干擾能力，在開關量輸入信號和處理器STM32之間使用光電耦器件TLP521隔離，當開關量輸入信號受到干擾時，只要其共模電壓低于光耦的最大隔離電壓，就不會對處理器正常工作造成任何影響。
開關量輸入電路如圖2所示。其中X1為輸入端，P1為微控制器端口，LED0為輸入點的狀態(tài)指示燈，TLP521為光電耦合器，它實現現場與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。
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開關量輸出電路是嵌入式PLC與外部連接的輸出通道，PLC通過它向外部現場執(zhí)行部件輸出相應的控制信號。開關量輸出通常有晶體管輸出和繼電器輸出兩種形式。本設計中，開關量輸出電路采用了13路繼電器輸出，器件選用松樂SRD-24VDC-SL-C，繼電器輸出電路可用于直流負載，也可用于交流負載，它特別適合于對動作時間和工作頻率要求不高的場合。其電路圖如圖3所示。D1為穩(wěn)壓二極管1N4148，因為直流繼電器的線圈在斷開時會產生反向電動勢，這時需要在繼電器兩極并接一個1N4148來進行快速放電。
2．2 模擬量輸入模塊
模擬量輸入電路的主要功能是把現場測量到的模擬量信號轉變成PLC可以處理的數字量信號。A／D轉換器是模擬量輸入電路的主要器件，STM32微控制器內部含有8路10位A／D轉換器，配合信號調理電路以及相應的控制電路，可以完成模擬量的采樣和轉換。轉換后的數字量由CPU讀入PLC系統(tǒng)的輸入映像緩沖區(qū)，從而完成對模擬量的采集。
本設計中，模擬量輸入電路有8路4～20mA電流輸入。4～20mA直流信號制是國際電工委員會(IEC)制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準。在工業(yè)現場，如果采集的信號經調理后是電壓信號并且進行長線傳輸，會產生以下問題：第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會很容易受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降。為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，工業(yè)現場大量采用電流來傳輸信號。
2．3 CAN總線接口電路
CAN總線是一種支持分布式實時控制的串行通信網絡，采用對通信數據進行編碼的方式，使得CAN總線上的節(jié)點數量理論上幾乎不受限制。然而實際上，CAN總線上的節(jié)點數量不宜超過100個。每一個嵌入式PLC通過CAN總線實現與上位機的通信，傳輸距離可達10km，通信速率高、可靠性高、抗干擾能力強。由于STM32F103X內部已集成CAN總線控制器，因此只需要外接CAN收發(fā)器即可，使得電路更加簡潔而且成本更低，同時可靠性得以提高。CAN收發(fā)器采用TI公司的SN65HVD230供電電壓為3．3V的CAN總線收發(fā)器，該收發(fā)器采用差分收發(fā)方式，最高速率可達1Mb／s，具有高抗電磁干擾、CAN總線保護、斜率控制等特點，電氣連接簡單，使用方便，完全滿足工業(yè)級產品的技術要求。通信接口電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
由于嵌入式PLC在工業(yè)控制方面的實時性和穩(wěn)定性要求，選用μC／OS-II操作系統(tǒng)來管理任務調度。μC／OS-II是一個專為嵌入式應用設計，基于優(yōu)先級調度的搶占式實時操作系統(tǒng)內核，它包含了任務調度、任務管理、時間管理、任務間通信與同步等功能。各任務之間通過信號量、郵箱和消息隊列實現相互間的數據交換和同步。
本系統(tǒng)軟件部分由下位機控制程序和上位機監(jiān)控程序兩部分組成。前者主要負責讀取開關量和模擬量的輸入數據，控制開關量輸出，并且負責通過CAN總線將數據上傳給上位機，以及接收來自上位機的命令；后者則通過人機交互界面來監(jiān)控嵌入式PLC的狀態(tài)。系統(tǒng)需要先完成μC／OS-II操作系統(tǒng)的移植，然后利用μC／OS-II操作系統(tǒng)提供的API函數以及ARM微控制器集成開發(fā)工具Keil開發(fā)嵌入式PLC系統(tǒng)的控制程序。[!--empirenews.page--]
3．1下位機軟件設計
系統(tǒng)下位機軟件采用模塊化的設計方法，把整個系統(tǒng)分解為幾個功能相對獨立的比較小的程序模塊，分別對實現各個功能的程序模塊進行設計、編程和調試。根據不同模塊在系統(tǒng)中的作用，嵌入式操作系統(tǒng)應實現多個不同優(yōu)先級的控制任務。這些任務按照優(yōu)先級從高到低分別為：接收計算機控制中心命令；采集和處理數據；發(fā)送數據到本地控制中心。系統(tǒng)啟動流程圖如圖5所示。
CAN總線通信程序主要由三部分組成：初始化、發(fā)送數據、接收數據。CAN控制器的初始化流程是：首先將ARM中CAN控制器相關的引腳使能，然后對CAN控制器進行復位操作，設置CAN總線的通信波特率，最后初始化CAN控制器的工作模式。初始化之后便可以進行數據的發(fā)送與接收。CAN數據發(fā)送是將采集到的數據打包成符合CAN發(fā)送幀格式后，調用CAN發(fā)送數據函數進行發(fā)送。數據接收程序是從接收緩沖器讀出數據，同時釋放接收緩沖器并對數據做出相應處理，本系統(tǒng)中CAN總線數據接收程序采用中斷法進行控制。數據發(fā)送和接收流程圖如圖6、圖7所示。
3．2 上位機軟件設計
上位機主要實現CAN總線通信、顯示輸入輸出端口的狀態(tài)等功能，可以接收下位機傳輸過來的數據，也可以發(fā)送命令控制下位機的輸出。采用VC++6．0開發(fā)環(huán)境的MFC編程實現上位機界面編程及與嵌入式PLC之間的通信。實現界面如圖8所示。
本文給出了基于ARM和CAN總線的嵌入式PLC系統(tǒng)的軟硬件設計方法，實現了對12路開入量信號采集；13路開出量輸出信號的控制；8路模擬量的采集。具有LED指示開關量狀態(tài)、遠程監(jiān)控的功能。采用高性能嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心，并使用穩(wěn)定的工業(yè)現場總線，保證了系統(tǒng)的可靠性和實時性，達到了預期的設計要求。
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