基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對于工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)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(dǎo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計了新一代微型嵌入式PLC.本文介紹了嵌入式PLC的體系結(jié)構(gòu)，包含其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案。

1嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)當(dāng)前的現(xiàn)場I/O信號的狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成預(yù)定的控制任務(wù)。本設(shè)計選用的是Philips公司生產(chǎn)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(nèi)SRAM.LPC2294采用144腳封裝、具有極低的功耗以及多達(dá)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(zhuǎn)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(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護(hù)總線等場合。

1.2硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以ARM芯片LPC2294為CPU，設(shè)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(jié)構(gòu)包括：

電源及復(fù)位模塊、ARM微控制器、Flash存儲器擴(kuò)展模塊、開關(guān)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1開關(guān)量輸入輸出接口電路

圖2所示為一路開關(guān)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(jìn)入系統(tǒng)中。輸入端外接的輸入控制開關(guān)信號（直流24V）通過輸入點10.0經(jīng)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(shè)置為輸入模式且口線內(nèi)部無上拉電阻，所以需要外接上拉電阻，防止口線懸空。當(dāng)10.0輸入端為24V時，光電耦合器中的光敏二極管導(dǎo)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(dāng)CPU訪問該路信號時，將該輸入點對應(yīng)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(dāng)CPU訪問該路信號時，則將該輸入點對應(yīng)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(yīng)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(dāng)內(nèi)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(dǎo)通，繼電器線圈得電，輸出點接通；反之當(dāng)內(nèi)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(dāng)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(dǎo)致外部繼電器誤動作而引起外部設(shè)備工作不穩(wěn)定。為此，我們設(shè)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(nèi)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(jìn)行充電，隨著時間的推移，管腳2、6的電平不斷升高，當(dāng)升至23VCC時，輸出端3管腳將翻轉(zhuǎn)至低電平，使三極管導(dǎo)通，VCC5.0D輸出5V.這樣，系統(tǒng)上電后經(jīng)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(shè)計

先通過電阻R66，將現(xiàn)場傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為0~5V電壓信號進(jìn)行采集?？紤]到抗干擾及對微處理器電路的保護(hù)，在轉(zhuǎn)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(shè)計

為了能與其它工業(yè)控制產(chǎn)品兼容，我們設(shè)計時采用了RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)。為了將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485電平，選用了SP485E收發(fā)器。SP485E芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)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(hù)電路。接口電路如圖6所示。

2嵌入式PLC的軟件系統(tǒng)設(shè)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(fù)責(zé)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(jù)，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(zhuǎn)換。

2.1 PLC運行系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序分配內(nèi)存，把該應(yīng)用程序加載到分配好的內(nèi)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(wù)，該運行系統(tǒng)還必須負(fù)責(zé)處理有關(guān)的服務(wù)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(yīng)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(guān)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(guān)的常量、宏和類型定義。文件中這些數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)相關(guān)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(guān)閉處理器的功能。

②OS_CPU_C.C文件該文件中的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)OSTaskStkInit（），必須根據(jù)移植時統(tǒng)一定義的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)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(wù)啟動函數(shù)中調(diào)用的OSStartHighRdy（）、任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw（）、中斷任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw（）、時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTickISR（）。

至此整個μC/OS-II內(nèi)核移植完成。以后的用戶程序都是在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)充。

2.2 PLC開發(fā)系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)的主要任務(wù)是讓用戶編寫PLC程序，所以還需要設(shè)計與該系統(tǒng)相對應(yīng)的編程平臺。編程平臺的設(shè)計主要包括編程界面的設(shè)計、編輯器的設(shè)計、轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計、編譯器的設(shè)計和通信模塊的設(shè)計等。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換程序把編譯后的目標(biāo)文件轉(zhuǎn)化成C語言。轉(zhuǎn)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(guān)的用戶指令。使用這樣的方式作為上位機(jī)編程平臺，節(jié)省了工作量。

3系統(tǒng)測試

將所設(shè)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(gòu)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(yīng)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(guān)0，相應(yīng)的LED0被點亮，延時4秒后LED1被點亮。按下開關(guān)1，相應(yīng)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(jī)的測試結(jié)果與理論分析結(jié)果相同，所設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)硬件、軟件及μCOS-II操作系統(tǒng)的移植達(dá)到了期望的控制效果，達(dá)到了設(shè)計要求。

4結(jié)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(shè)計方案。該嵌入式PLC的硬件、軟件、通信等各方面的功能設(shè)計靈活，易于剪裁，更貼近各種檔次的機(jī)電設(shè)備的要求。該PLC完全基于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)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。