解析嵌入式PLC芯片組的多路模擬量應(yīng)用開發(fā)

PLC可編程邏輯控制器，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)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/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。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1966年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。

傳統(tǒng)的PLC產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足更加細(xì)分化的市場需求，為了滿足這種需求，出現(xiàn)了嵌入式PLC產(chǎn)品。PLC語言（梯形圖語言）嵌入到單片機(jī)中，使單片機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)從使用匯編語言變?yōu)槭褂锰菪螆D語言同時，獲取了梯形圖編程平臺所提供的各種強(qiáng)大的應(yīng)用功能。我們稱用于單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)，自身具有強(qiáng)大功能的梯形圖語言編程軟件為嵌入式PLC。嵌入式PLC能廣泛應(yīng)用于各種單片機(jī)產(chǎn)品。

一、嵌入式PLC

嵌入式PLC是指在特定的控制裝置中實現(xiàn)PLC（ProgramableLogicController）梯形圖編程語言的解釋、執(zhí)行，使特定裝置在自身專用功能基礎(chǔ)上具有PLC的基本功能。梯形圖是一種面向工廠自動化工程師的圖形化PLC編程語言。梯形圖具有簡潔、直觀，面向工藝流程等許多優(yōu)點。PLC編程語言的出現(xiàn)使控制裝置中的硬件管和面向控制流程分離，PLC制造商專注于硬件及硬件管理，工廠自動化人員借助梯形圖語言作二次開發(fā)，使同一種PLC適用于不同的控制系統(tǒng)中，形成了可編程邏輯控制器（PLC）這種平臺級產(chǎn)品。

1、嵌入式PLC系統(tǒng)軟件

嵌入式PLC正是面向IPC和單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，它保留了PLC（借助梯形圖語言）硬件管理和工藝控制分離的優(yōu)勢，結(jié)合IPC和單片機(jī)提供的更個性化、差異化的設(shè)計方法，形成一種新的控制器設(shè)計理念。當(dāng)我們在IPC中嵌入PLC的功能時，我們稱之為基于PCBase的嵌入式PLC，當(dāng)我們在單片機(jī)中嵌入PLC功能時，我們稱它為基于AllONOne的嵌入式PLC（片級嵌入PLC）。未特別說明時，嵌入式PLC指片級嵌入式PLC，也就是本文提出的嵌入式PLC。以下描述以8位單片機(jī)C8051F040為硬件的以科威公司EASYV1.00版嵌入式PLC軟件架構(gòu)。

嵌入式PLC系統(tǒng)軟件將PLC語言（梯形圖語言）、CAN總線嵌入到單片機(jī)中，使單片機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)從使用匯編語言變?yōu)槭褂肞LC梯形圖語言，并具有CAN總線的互連特性。該系統(tǒng)軟件具有以下特點：1.以梯形圖語言為內(nèi)核，添加了中斷管理系統(tǒng)，能實現(xiàn)PLC無法實現(xiàn)的硬實時操作；2.強(qiáng)化運(yùn)算能力，增加了CANBUS函數(shù)庫、浮點數(shù)庫、專家自整定PID、嵌入式WEB等，豐富了PLC的功能；3.提供開放式擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，支持第三方開發(fā)擴(kuò)展單元的接線；4.增加了網(wǎng)絡(luò)互連功能，在遠(yuǎn)程端加載專用瀏覽器后。

系統(tǒng)軟件包括三個部分。

①嵌入式PLC內(nèi)核：它完成實時任務(wù)調(diào)度、梯形圖語言解釋、執(zhí)行、通訊等基本功能，并提供二次開發(fā)驅(qū)動接口；

②二次開發(fā)驅(qū)動程序通過系統(tǒng)軟件提供的外掛任務(wù)，使用內(nèi)核開發(fā)各種面向具體對象個性化、差異化的驅(qū)動程序；

③終端應(yīng)用程序指面向工藝流程控制的梯形圖語言程序；

2、嵌入式PLC芯片組

EASY CORE 1.00 是一個加載了嵌入式PLC系統(tǒng)軟件的核心芯片組，作為一款加載了系統(tǒng)軟件的硬件平臺，可以用來設(shè)計通用和專用PLC。

1）芯片組基本性能：

① 供電：+5V 200mA，RAM掉電保護(hù)5年。

② CPU： C8051F040。

③ 嵌入擴(kuò)展能力

●32 I/O：可復(fù)用成SPI、I2C接口及外中斷、外計數(shù)、AD等。

●4 AD： 12位精度，100 KPS。

●2 DA： 12位精度，100 KPS。

④ 通信接口

●CANBUS：系統(tǒng)軟件管理，使用工具軟件CANSet構(gòu)建CANBUS總線網(wǎng)絡(luò)。

●UART0：系統(tǒng)軟件管理，用于梯形圖編程、監(jiān)控，支持人機(jī)界面及用戶驅(qū)動程序下載。

●UART1：系統(tǒng)軟件管理，用于下載CANBUS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、構(gòu)建RS485網(wǎng)絡(luò)及支持第三方設(shè)備互連。

2）芯片組原理框圖：

二、應(yīng)用開發(fā)

基于加載了系統(tǒng)軟件的核心芯片組，我們可以根據(jù)工藝需要來開發(fā)自己的嵌入式PLC產(chǎn)品。下面就介紹基于嵌入式PLC芯片組開發(fā)的16路輸入的模擬量PLC產(chǎn)品。

1、硬件設(shè)計

硬件整體結(jié)構(gòu)圖如下：

AI0是芯片組內(nèi)的一個AD轉(zhuǎn)換通道，P1.0—P1.4作為模擬開關(guān)的通道控制線來進(jìn)行16個模擬信號通道間的切換。

（1）信號采集電路

用AD公司的高精密放大器OP07構(gòu)成模擬信號放大電路，OP07具有低輸入偏移電壓（10uV）、低漂移電壓（0.2uV/℃）和寬范圍的供電電壓（±3V－±18V）， 可以很好地滿足該產(chǎn)品的要求。在這里OP07由±5V供電，R18、R79作為調(diào)零電阻，輸出電壓由下式給出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

（2）信號選擇電路

選擇16通道的模擬開關(guān)CD4067構(gòu)成信號選擇電路，A、B、C、D、INH接到芯片組的P1.0－P1.4引腳，做為模擬開關(guān)的通道選擇控制信號。OUT引腳接到芯片組的AIN0，即第一個AD轉(zhuǎn)換通道。

2、軟件開發(fā)

嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片開發(fā)的，所以二次程序的開發(fā)使用51匯編語言。開發(fā)選擇的編譯器是KEIL C51，因為它可以生成我們所需要的。HEX文件。內(nèi)核留出了七個用戶嵌入程序接口，我們只需要充分理解各個接口的功能就可了進(jìn)行二次開發(fā)了，需要熟悉如下內(nèi)容：a、內(nèi)核功能b、內(nèi)核結(jié)構(gòu)c、內(nèi)核任務(wù)管理d、內(nèi)核存儲空間分配。

（1）程序規(guī)劃

T4中斷：完成AD轉(zhuǎn)換和16個通道的切換程序

USER_SCAN：PLC資源區(qū)中AD值的刷新。

AD轉(zhuǎn)換過程如下：每一通道連續(xù)采樣16次，采樣完后得到累加和，然后啟動下一通道的AD轉(zhuǎn)換。

PLC資源區(qū)中AD值的刷新過程如下：在梯形圖掃描周期結(jié)束時進(jìn)行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的資源區(qū)的對應(yīng)位置處。

（2）程序代碼

INIT_AD: ;AD初始化

MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE

MOV REF0CN, #07H ;內(nèi)部參考電壓/輸出到VERF

;啟動內(nèi)部溫度傳感器

MOV AMX0CF, #00H ;單極性輸入

MOV ADC0CF, #0B8H ;D7——D3=SYSCLK/采樣時鐘-1

;采樣轉(zhuǎn)換時鐘=1US

;D2——D0=GAIN

;000 GAIN=1

MOV ADC0CN, #90H ;啟動AD采樣

MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道號，初值為0

MOV AD_COUNT, #00H ;16次采樣次數(shù)計數(shù)。初值為0

RET

SAMPLE_AD: ;AD采樣開始

MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器頁

MOV A, AD_CHANNEL ;采樣值的累加和是一個字基地址 ;為#XA I ,偏移地址為AD_CHANNEL

RL A

MOV DPTR, #XAI ;XAI存放16次采樣值的累加和

ADD A, DPL ;低字節(jié)相加

MOV DPL, A

MOVX A, @DPTR

MOV B, A

MOV A, ADC0L

CLR C

ADDC A, B

MOVX @DPTR, A

INC DPTR ;高字節(jié)相加

MOVX A, @DPTR

MOV B, A

MOV A, ADC0H

ANL A, #0FH

ADDC A, B

MOVX @DPTR, A ;#XAI中存放格式為低字節(jié)、高字節(jié)

MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器頁

MOV ADC0CN, #090H ;啟動下次AD采樣

INC AD_COUNT

MOV A, AD_COUNT

CLR C

SUBB A, #16

JNC FILL_XAI_XAD ;當(dāng)16次采樣完成后，把XAI中16 ;個采樣和（2 字節(jié)）存放到XAD

RET

3、驅(qū)動程序的嵌入

在KEIL C51中編譯上述程序。使用下載工具軟件“DOWNHEX”，把生成的。HEX文件通過串口下載到芯片組的固定地址處，使得內(nèi)核可以調(diào)用它，從而完成二次驅(qū)動程序的開發(fā)。

三、功能介紹

基于嵌入式PLC開發(fā)的多路模擬量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有以下功能：1、采集工業(yè)現(xiàn)場的多路熱電偶信號，2、支持三菱、臺達(dá)等多家人機(jī)界面， 3、支持梯形圖編程（86條指令）， 4、支持CANbus互連等。這里簡要介紹下該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的梯形圖功能應(yīng)用。

嵌入式PLC的系統(tǒng)軟件中內(nèi)置了溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，其功能是把熱電偶毫伏信號對應(yīng)的AD值轉(zhuǎn)化成溫度值。適用于任意分度熱電偶輸入信號，應(yīng)用于不同的控溫場合，配合PID調(diào)節(jié)，使受控溫度精度可達(dá)±1℃。

下面的梯形圖程序就是把一路熱電偶信號轉(zhuǎn)換成溫度值，該信號AD值放在D5000，轉(zhuǎn)換后的溫度值存放在D5160中。

四、結(jié)束語

筆者利用嵌入式PLC芯片組開發(fā)的的PLC產(chǎn)品的實例證明，本著軟硬件可裁剪的原則，開發(fā)出的產(chǎn)品可以很好的滿足用戶的個性化需求，節(jié)約了硬件成本、縮短了研發(fā)周期，并且得到了許多強(qiáng)大的功能，相信它的出現(xiàn)必將使得PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出越來越多的貼近終端市場的PLC。