基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設計
四十多年來,PLC已成為實現(xiàn)工業(yè)控制的中堅力量。它的功能不斷完善,應用領域不斷擴大,對于工業(yè)控制技術的進步與社會發(fā)展所發(fā)揮的作用無可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性,主導了工控行業(yè)數(shù)十年。PLC雖然有著它固有的優(yōu)勢,但面對客戶需求的不斷變化,PLC要想生存,就必須突破傳統(tǒng)模式,積極求新求變以適應新的市場發(fā)展。而具有低成本優(yōu)勢的嵌入式PLC,正好能夠滿足這一需求。所謂嵌入式PLC是指采用SoC嵌入式片上系統(tǒng)芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)PLC功能,并能用IEC61131-3的標準編程語言編程的PLC.隨著高性能的ARM嵌入式微處理器的發(fā)展,筆者設計了新一代微型嵌入式PLC.本文介紹了嵌入式PLC的體系結構,包含其硬件設計和軟件設計方案。
1嵌入式PLC的硬件結構設計
1.1微控制器芯片的選取
CPU是PLC的核心,它能夠識別用戶按照特定的格式輸入的各種指令,并按照指令的規(guī)定,根據當前的現(xiàn)場I/O信號的狀態(tài),發(fā)出相應的控制指令,完成預定的控制任務。本設計選用的是Philips公司生產的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S,并支持實時仿真和跟蹤的CPU芯片,它帶有256kB嵌入的高速Flash存儲器,16kB片內SRAM.LPC2294采用144腳封裝、具有極低的功耗以及多達112個通用I/O口,9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳,最大為60MHz的工作晶振,多個32位定時器,PWM單元,實時時鐘和看門狗,轉換時間低至2.44μs的8通道10位ADC、4路高級CAN接口,另外具有2路UART(16C550),高速I2 C(400kbit/s)及2路SPI總線。LPC2294豐富的硬件資源和完善的功能使這款微控制器特別適用于汽車、工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護總線等場合。
1.2硬件系統(tǒng)的整體結構
本系統(tǒng)以ARM芯片LPC2294為CPU,設計為14路PNP型輸入、10路繼電器輸出的基本模式。硬件總體結構包括:
電源及復位模塊、ARM微控制器、Flash存儲器擴展模塊、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS485接口及CAN接口通信模塊等。系統(tǒng)的結構如圖1所示。
1.2.1開關量輸入輸出接口電路
圖2所示為一路開關量輸入圖。此部分電路前端為R、C組成的一階濾波電路,防止外部干擾信號進入系統(tǒng)中。輸入端外接的輸入控制開關信號(直流24V)通過輸入點10.0經限流電阻輸入到光電耦合器(PC816)的輸入端,M為輸入點10.0~10.7的公共輸入端。因P0.23口被設置為輸入模式且口線內部無上拉電阻,所以需要外接上拉電阻,防止口線懸空。當10.0輸入端為24V時,光電耦合器中的光敏二極管導通,光敏晶體管輸出端被拉為低電平,指示該路輸入狀態(tài)的LED被點亮,P0.23被置為低電平。當CPU訪問該路信號時,將該輸入點對應的輸入過程映像寄存器的值置為1.10.0輸入端為0V時,P0.23為高電平,當CPU訪問該路信號時,則將該輸入點對應的輸入過程映像寄存器的值置為0.其余各個輸入點所對應的電路及工作原理均相同。
圖3所示為繼電器輸出模塊圖,圖中并聯(lián)在繼電器線圈兩端的二極管這里起續(xù)流作用。該模塊的工作原理如下:當內部輸出過程映像寄存器為1時,LPC2294端口P1.16輸出0,光敏晶體管導通,繼電器線圈得電,輸出點接通;反之當內部輸出過程映像寄存器為0時,端口P1.16輸出1,繼電器線圈失電,輸出點斷開。
需要注意的是,當LPC2294的GPIO口初上電時,其輸出端口(如本圖中的P1.16)的電壓不穩(wěn)定,這樣易導致外部繼電器誤動作而引起外部設備工作不穩(wěn)定。為此,我們設計了圖4電路用來提高繼電器輸出的穩(wěn)定性。
這是一個由NE555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路,其中VCC5.0D端接圖3中光電耦合器的集電極。其工作原理為:系統(tǒng)上電初始,2、6管腳電平不能突變,保持為低電平。分析NE555的內部電路可知,此時輸出端3管腳輸出高電平,電路開始對R、C電路進行充電,隨著時間的推移,管腳2、6的電平不斷升高,當升至23VCC時,輸出端3管腳將翻轉至低電平,使三極管導通,VCC5.0D輸出5V.這樣,系統(tǒng)上電后經過一段時間,I/O口的電平穩(wěn)定下來之后,光電耦合器才得電開始工作。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tW取決于外接電阻R和電容C的大小。tW等于電容電壓在充電過程中從0上升到23VCC所需要的時間,即
1.2.2模擬量輸入電路設計
先通過電阻R66,將現(xiàn)場傳感器輸出的電流信號轉換為0~5V電壓信號進行采集??紤]到抗干擾及對微處理器電路的保護,在轉換電路的輸出端加了線性光耦HCNR201.硬件電路如圖5所示。
1.2.3串行通訊接口電路設計
為了能與其它工業(yè)控制產品兼容,我們設計時采用了RS-485接口標準。為了將TTL電平轉換成RS485電平,選用了SP485E收發(fā)器。SP485E芯片的數(shù)據傳輸速率可高達10Mbps,其最大的特點是在為發(fā)送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護電路。接口電路如圖6所示。
2嵌入式PLC的軟件系統(tǒng)設計
嵌入式PLC的軟件分為運行系統(tǒng)軟件和開發(fā)系統(tǒng)軟件兩部分。運行系統(tǒng)負責對整個系統(tǒng)的管理和對用戶程序的編譯執(zhí)行,并保存所有的數(shù)據,完成與外界通訊。開發(fā)系統(tǒng)面對用戶,完成對PLC程序的編輯和轉換。
2.1 PLC運行系統(tǒng)軟件
該系統(tǒng)負責為應用程序分配內存,把該應用程序加載到分配好的內存里,然后開始執(zhí)行該程序的指令。如果該程序要求位于底層的操作系統(tǒng)提供服務,該運行系統(tǒng)還必須負責處理有關的服務請求。該運行系統(tǒng)是基于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II來開發(fā)的,選用嵌入式操作系統(tǒng)提高了軟件系統(tǒng)的抗干擾性,系統(tǒng)的可靠性及應用軟件的開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期。μC/OS-II的移植的主要工作是修改與ARM處理器相關部分的代碼,它們集中在3個文件中。
①OS_CPU.H文件該文件包含了用#define定義的與處理器相關的常量、宏和類型定義。文件中這些數(shù)據類型的定義如下:
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U;
typedef signed char INT8S;
typedef unsigned short INT16U;
typedef signed short INT16S;
typedef unsigned int INT32U;
typedef signed int INT32S;
typedef float FP32;
typedef double FP64;
typedef unsigned int OS_STK;
與ARM7體系結構相關的一些定義如下:
#define OS_CRITICAL_METHOD 2
__swi(0×00)void OS_TASK_SW(void);
__swi(0×01)void _OSStartHighRdy(void);
__swi(0×02)void OS_ENTER_CRITICAL(void);
__swi(0×03)void OS_EXIT_CRITICAL(void);_
_swi(0×40)void*GetOSFunctionAddr(int Index);
__swi(0×41)void*GetUsrFunctionAddr(int Index);
__swi(0×42)void OSISRBegin(void);
__swi(0×43)int OSISRNeedSwap(void);
__swi(0×80)void ChangeToSYSMode(void);
__swi(0×81)void ChangeToUSRMode(void);
__swi(0×82)void TaskIsARM(INT8Uprio);
__swi(0×83)void TaskIsTHUMB(INT8Uprio);
/*上述函數(shù)需在移植文件OS _CPU.H中將其聲明。
*/#define OS_STK_GROWTH 1
此代碼段中的OS_ENTER_CRITICAL()函數(shù)和OS_EXIT_CRITICAL()函數(shù)實現(xiàn)打開和關閉處理器的功能。
②OS_CPU_C.C文件該文件中的任務棧結構初始化函數(shù)OSTaskStkInit(),必須根據移植時統(tǒng)一定義的任務堆棧結構進行初始化。另外還有9個系統(tǒng)規(guī)定的鉤子函數(shù)必須聲明,但可以不包含任何代碼,這些鉤子函數(shù)在本移植中全為空函數(shù)。
③OS_CPU_A.S文件的移植共包括4個函數(shù):多任務啟動函數(shù)中調用的OSStartHighRdy()、任務切換函數(shù)OSCtxSw()、中斷任務切換函數(shù)OSIntCtxSw()、時鐘節(jié)拍服務函數(shù)OSTickISR()。
至此整個μC/OS-II內核移植完成。以后的用戶程序都是在這個基礎上進行的擴充。
2.2 PLC開發(fā)系統(tǒng)軟件
該系統(tǒng)的主要任務是讓用戶編寫PLC程序,所以還需要設計與該系統(tǒng)相對應的編程平臺。編程平臺的設計主要包括編程界面的設計、編輯器的設計、轉換模塊的設計、編譯器的設計和通信模塊的設計等。軟件系統(tǒng)結構圖如圖7所示。
用戶在編程平臺里編寫PLC程序。這里借用FX系列PLC的編程軟件SWOPC-FXGP/WIN-C作為編程平臺,編程語言可以使用梯形圖和指令表。然后通過轉換程序把編譯后的目標文件轉化成C語言。轉換程序其實就是一個解釋系統(tǒng),通過逐條翻譯編程軟件的指令表,生成和處理器指令系統(tǒng)無關的用戶指令。使用這樣的方式作為上位機編程平臺,節(jié)省了工作量。
3系統(tǒng)測試
將所設計的PLC軟件系統(tǒng)植入基于LPC2294的嵌入式開發(fā)平臺,與PLC輸入輸出硬件接口板連接,構成14輸入10輸出的PLC系統(tǒng)。在上層開發(fā)系統(tǒng)中編寫相應的PLC梯形圖,編譯后加載到嵌入式PLC的運行系統(tǒng)中。梯形圖如圖8所示。
按下開關0,相應的LED0被點亮,延時4秒后LED1被點亮。按下開關1,相應的LED2被點亮,同時LED0被熄滅。
由以上的測試效果可以看出原型機的測試結果與理論分析結果相同,所設計的PLC控制系統(tǒng)硬件、軟件及μCOS-II操作系統(tǒng)的移植達到了期望的控制效果,達到了設計要求。
4結束語
本文針對目前普通PLC存在的一些不足,提出了一種基于LPC2294的嵌入式PLC設計方案。該嵌入式PLC的硬件、軟件、通信等各方面的功能設計靈活,易于剪裁,更貼近各種檔次的機電設備的要求。該PLC完全基于嵌入式系統(tǒng)的技術基礎,拿來就可以用,且SOC芯片、嵌入式操作系統(tǒng)、符合IEC61131-3編程語言標準編程環(huán)境等在市場上很容易找到,因此該嵌入式PLC在我國市場的使用和推廣前景十分可觀。