基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计

admin

四十多年来，PLC已成为实现工业控制的中坚力量。它的功能不断完善，应用领域不断扩大，对于工业控制技术的进步与社会发展所发挥的作用无可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年。PLC虽然有着它固有的优势，但面对客户需求的不断变化，PLC要想生存，就必须突破传统模式，积极求新求变以适应新的市场发展。而具有低成本优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。所谓嵌入式PLC是指采用SoC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并能用IEC61131-3的标准编程语言编程的PLC.随着高性能的ARM嵌入式微处理器的发展，笔者设计了新一代微型嵌入式PLC.本文介绍了嵌入式PLC的体系结构，包含其硬件设计和软件设计方案。
       
        1嵌入式PLC的硬件结构设计
       
        1.1微控制器芯片的选取
       
        CPU是PLC的核心，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。本设计选用的是Philips公司生产的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU芯片，它带有256kB嵌入的高速Flash存储器，16kB片内SRAM.LPC2294采用144脚封装、具有极低的功耗以及多达112个通用I/O口，9个边沿或电平触发的外部中断引脚，最大为60MHz的工作晶振，多个32位定时器，PWM单元，实时时钟和看门狗，转换时间低至2.44μs的8通道10位ADC、4路高级CAN接口，另外具有2路UART（16C550），高速I2 C（400kbit/s）及2路SPI总线。LPC2294丰富的硬件资源和完善的功能使这款微控制器特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线等场合。
       
        1.2硬件系统的整体结构
       
        本系统以ARM芯片LPC2294为CPU，设计为14路PNP型输入、10路继电器输出的基本模式。硬件总体结构包括：
       
        电源及复位模块、ARM微控制器、Flash存储器扩展模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS485接口及CAN接口通信模块等。系统的结构如图1所示。
       
       
        1.2.1开关量输入输出接口电路
       
        图2所示为一路开关量输入图。此部分电路前端为R、C组成的一阶滤波电路，防止外部干扰信号进入系统中。输入端外接的输入控制开关信号（直流24V）通过输入点10.0经限流电阻输入到光电耦合器（PC816）的输入端，M为输入点10.0~10.7的公共输入端。因P0.23口被设置为输入模式且口线内部无上拉电阻，所以需要外接上拉电阻，防止口线悬空。当10.0输入端为24V时，光电耦合器中的光敏二极管导通，光敏晶体管输出端被拉为低电平，指示该路输入状态的LED被点亮，P0.23被置为低电平。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为1.10.0输入端为0V时，P0.23为高电平，当CPU访问该路信号时，则将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为0.其余各个输入点所对应的电路及工作原理均相同。
       
       
        图3所示为继电器输出模块图，图中并联在继电器线圈两端的二极管这里起续流作用。该模块的工作原理如下：当内部输出过程映像寄存器为1时，LPC2294端口P1.16输出0，光敏晶体管导通，继电器线圈得电，输出点接通；反之当内部输出过程映像寄存器为0时，端口P1.16输出1，继电器线圈失电，输出点断开。
       
       
        需要注意的是，当LPC2294的GPIO口初上电时，其输出端口（如本图中的P1.16）的电压不稳定，这样易导致外部继电器误动作而引起外部设备工作不稳定。为此，我们设计了图4电路用来提高继电器输出的稳定性。
       
       
        这是一个由NE555定时器组成的单稳态电路，其中VCC5.0D端接图3中光电耦合器的集电极。其工作原理为：系统上电初始，2、6管脚电平不能突变，保持为低电平。分析NE555的内部电路可知，此时输出端3管脚输出高电平，电路开始对R、C电路进行充电，随着时间的推移，管脚2、6的电平不断升高，当升至23VCC时，输出端3管脚将翻转至低电平，使三极管导通，VCC5.0D输出5V.这样，系统上电后经过一段时间，I/O口的电平稳定下来之后，光电耦合器才得电开始工作。暂稳态的持续时间tW取决于外接电阻R和电容C的大小。tW等于电容电压在充电过程中从0上升到23VCC所需要的时间，即
       
       
        1.2.2模拟量输入电路设计
       
        先通过电阻R66，将现场传感器输出的电流信号转换为0~5V电压信号进行采集。考虑到抗干扰及对微处理器电路的保护，在转换电路的输出端加了线性光耦HCNR201.硬件电路如图5所示。
       
       
        1.2.3串行通讯接口电路设计
       
        为了能与其它工业控制产品兼容，我们设计时采用了RS-485接口标准。为了将TTL电平转换成RS485电平，选用了SP485E收发器。SP485E芯片的数据传输速率可高达10Mbps，其最大的特点是在为发送器输出和接收器输入管脚提供了ESD保护电路。接口电路如图6所示。
       
        2嵌入式PLC的软件系统设计
       
        嵌入式PLC的软件分为运行系统软件和开发系统软件两部分。运行系统负责对整个系统的管理和对用户程序的编译执行，并保存所有的数据，完成与外界通讯。开发系统面对用户，完成对PLC程序的编辑和转换。
       
        2.1 PLC运行系统软件
       
        该系统负责为应用程序分配内存，把该应用程序加载到分配好的内存里，然后开始执行该程序的指令。如果该程序要求位于底层的操作系统提供服务，该运行系统还必须负责处理有关的服务请求。该运行系统是基于嵌入式操作系统μC/OS-II来开发的，选用嵌入式操作系统提高了软件系统的抗干扰性，系统的可靠性及应用软件的开发效率，缩短了开发周期。μC/OS-II的移植的主要工作是修改与ARM处理器相关部分的代码，它们集中在3个文件中。
       
        ①OS_CPU.H文件该文件包含了用#define定义的与处理器相关的常量、宏和类型定义。文件中这些数据类型的定义如下：
       
        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；
       
        与ARM7体系结构相关的一些定义如下：
       
        #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）；
       
        /*上述函数需在移植文件OS _CPU.H中将其声明。
       
        */#define OS_STK_GROWTH 1
       
        此代码段中的OS_ENTER_CRITICAL（）函数和OS_EXIT_CRITICAL（）函数实现打开和关闭处理器的功能。
       
        ②OS_CPU_C.C文件该文件中的任务栈结构初始化函数OSTaskStkInit（），必须根据移植时统一定义的任务堆栈结构进行初始化。另外还有9个系统规定的钩子函数必须声明，但可以不包含任何代码，这些钩子函数在本移植中全为空函数。
       
        ③OS_CPU_A.S文件的移植共包括4个函数：多任务启动函数中调用的OSStartHighRdy（）、任务切换函数OSCtxSw（）、中断任务切换函数OSIntCtxSw（）、时钟节拍服务函数OSTickISR（）。
       
        至此整个μC/OS-II内核移植完成。以后的用户程序都是在这个基础上进行的扩充。
       
        2.2 PLC开发系统软件
       
        该系统的主要任务是让用户编写PLC程序，所以还需要设计与该系统相对应的编程平台。编程平台的设计主要包括编程界面的设计、编辑器的设计、转换模块的设计、编译器的设计和通信模块的设计等。软件系统结构图如图7所示。
       
       
       
        用户在编程平台里编写PLC程序。这里借用FX系列PLC的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C作为编程平台，编程语言可以使用梯形图和指令表。然后通过转换程序把编译后的目标文件转化成C语言。转换程序其实就是一个解释系统，通过逐条翻译编程软件的指令表，生成和处理器指令系统无关的用户指令。使用这样的方式作为上位机编程平台，节省了工作量。
        3系统测试
       
        将所设计的PLC软件系统植入基于LPC2294的嵌入式开发平台，与PLC输入输出硬件接口板连接，构成14输入10输出的PLC系统。在上层开发系统中编写相应的PLC梯形图，编译后加载到嵌入式PLC的运行系统中。梯形图如图8所示。
       
       
        按下开关0，相应的LED0被点亮，延时4秒后LED1被点亮。按下开关1，相应的LED2被点亮，同时LED0被熄灭。
       
        由以上的测试效果可以看出原型机的测试结果与理论分析结果相同，所设计的PLC控制系统硬件、软件及μCOS-II操作系统的移植达到了期望的控制效果，达到了设计要求。
       
        4结束语
       
        本文针对目前普通PLC存在的一些不足，提出了一种基于LPC2294的嵌入式PLC设计方案。该嵌入式PLC的硬件、软件、通信等各方面的功能设计灵活，易于剪裁，更贴近各种档次的机电设备的要求。该PLC完全基于嵌入式系统的技术基础，拿来就可以用，且SOC芯片、嵌入式操作系统、符合IEC61131-3编程语言标准编程环境等在市场上很容易找到，因此该嵌入式PLC在我国市场的使用和推广前景十分可观。