基于AR嘞CAN總線的嵌入式PLC設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)PLC低成本，個(gè)性化的社會(huì)需求，提出一種嵌入式PLC設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)討論了系統(tǒng)的總體構(gòu)成以及軟、硬件設(shè)計(jì)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(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，能夠滿足基本的工業(yè)應(yīng)用需求。
關(guān)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(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入／輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過
程，是工業(yè)控制的核心部分。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的PLC面臨著IO點(diǎn)數(shù)增多、通訊功能需要增強(qiáng)等諸多方面的挑戰(zhàn)，已無法滿足個(gè)性化、差異化的需求。
    現(xiàn)有的設(shè)計(jì)主要有工控機(jī)、單片機(jī)板等。工控機(jī)在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢明顯，但其實(shí)時(shí)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(jī)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(yīng)用于低端場合。具有嵌入式操作系統(tǒng)的PLC將能結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為PLC領(lǐng)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(jié)合的方式進(jìn)行嵌入式PLC設(shè)計(jì)，并采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用其開放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性來達(dá)到高實(shí)時(shí)要求的PLC控制，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、復(fù)雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用ST公司生產(chǎn)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(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，它集成了兩個(gè)CAN控制器，并為每個(gè)CAN控制器分配了256字節(jié)的SRAM，每個(gè)CAN控制器有3個(gè)發(fā)送郵箱和兩個(gè)接收FIFO。它主要負(fù)責(zé)采集、處理開關(guān)量和模擬量輸入，控制開關(guān)量輸出，同時(shí)通過CAN總線完成與上位機(jī)的通信。

    開關(guān)量的輸入，為了減少外部開關(guān)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(guān)量可以存儲(chǔ)在ARM的存儲(chǔ)器內(nèi)。ARM對開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；另一方面將開關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸入開關(guān)量狀態(tài)。對于13路的開關(guān)量輸出，ARM通過CAN總線得到上位機(jī)傳來的開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過控制繼電器的鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，完成對繼電器的開關(guān)控制；另一方面將開關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸出開關(guān)量狀態(tài)。模擬量的采樣則通過信號放大調(diào)理電路及相應(yīng)的控制電路，然后對其進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(shè)計(jì)
2．1 開關(guān)量輸入輸出模塊
    開關(guān)量輸入電路的功能是接收工業(yè)現(xiàn)場各種開關(guān)量信號的輸入，并將其轉(zhuǎn)換成符合CPU要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。為提高控制器的抗干擾能力，在開關(guān)量輸入信號和處理器STM32之間使用光電耦器件TLP521隔離，當(dāng)開關(guān)量輸入信號受到干擾時(shí)，只要其共模電壓低于光耦的最大隔離電壓，就不會(huì)對處理器正常工作造成任何影響。
    開關(guān)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(diǎn)的狀態(tài)指示燈，TLP521為光電耦合器，它實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。

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    開關(guān)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(xiàn)場執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。開關(guān)量輸出通常有晶體管輸出和繼電器輸出兩種形式。本設(shè)計(jì)中，開關(guān)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(fù)載，也可用于交流負(fù)載，它特別適合于對動(dòng)作時(shí)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?yàn)橹绷骼^電器的線圈在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，這時(shí)需要在繼電器兩極并接一個(gè)1N4148來進(jìn)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(xiàn)場測量到的模擬量信號轉(zhuǎn)變成PLC可以處理的數(shù)字量信號。A／D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入電路的主要器件，STM32微控制器內(nèi)部含有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，配合信號調(diào)理電路以及相應(yīng)的控制電路，可以完成模擬量的采樣和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)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(shè)計(jì)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(huì)(IEC)制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)現(xiàn)場，如果采集的信號經(jīng)調(diào)理后是電壓信號并且進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會(huì)很容易受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式，使得CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量理論上幾乎不受限制。然而實(shí)際上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜超過100個(gè)。每一個(gè)嵌入式PLC通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，傳輸距離可達(dá)10km，通信速率高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。由于STM32F103X內(nèi)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(shí)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(dá)1Mb／s，具有高抗電磁干擾、CAN總線保護(hù)、斜率控制等特點(diǎn)，電氣連接簡單，使用方便，完全滿足工業(yè)級產(chǎn)品的技術(shù)要求。通信接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    由于嵌入式PLC在工業(yè)控制方面的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，選用μC／OS-II操作系統(tǒng)來管理任務(wù)調(diào)度。μC／OS-II是一個(gè)專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信與同步等功能。各任務(wù)之間通過信號量、郵箱和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換和同步。
    本系統(tǒng)軟件部分由下位機(jī)控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序兩部分組成。前者主要負(fù)責(zé)讀取開關(guān)量和模擬量的輸入數(shù)據(jù)，控制開關(guān)量輸出，并且負(fù)責(zé)通過CAN總線將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，以及接收來自上位機(jī)的命令；后者則通過人機(jī)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(shù)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(jī)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，把整個(gè)系統(tǒng)分解為幾個(gè)功能相對獨(dú)立的比較小的程序模塊，分別對實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的程序模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。根據(jù)不同模塊在系統(tǒng)中的作用，嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同優(yōu)先級的控制任務(wù)。這些任務(wù)按照優(yōu)先級從高到低分別為：接收計(jì)算機(jī)控制中心命令；采集和處理數(shù)據(jù)；發(fā)送數(shù)據(jù)到本地控制中心。系統(tǒng)啟動(dòng)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(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。CAN控制器的初始化流程是：首先將ARM中CAN控制器相關(guān)的引腳使能，然后對CAN控制器進(jìn)行復(fù)位操作，設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。CAN數(shù)據(jù)發(fā)送是將采集到的數(shù)據(jù)打包成符合CAN發(fā)送幀格式后，調(diào)用CAN發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)接收程序是從接收緩沖器讀出數(shù)據(jù)，同時(shí)釋放接收緩沖器并對數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理，本系統(tǒng)中CAN總線數(shù)據(jù)接收程序采用中斷法進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖如圖6、圖7所示。

3．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)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(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送命令控制下位機(jī)的輸出。采用VC++6．0開發(fā)環(huán)境的MFC編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面編程及與嵌入式PLC之間的通信。實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)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(guān)量狀態(tài)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。采用高性能嵌入式微處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，并使用穩(wěn)定的工業(yè)現(xiàn)場總線，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。