基于嵌入式PLC芯片組的多路模擬量PLC的開發(fā)

如今工業(yè)控制產(chǎn)品已發(fā)展到一個追求個性化、差異化的階段。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。

一、嵌入式PLC

　　嵌入式PLC是將PLC系統(tǒng)軟件構(gòu)建于控制器內(nèi)，根據(jù)用戶控制需要定制硬件，以PLC的應(yīng)用方式解決對象控制問題的PLC。它由兩部分組成：嵌入式PLC系統(tǒng)軟件和芯片組.

1、嵌入式PLC系統(tǒng)軟件

　　嵌入式PLC系統(tǒng)軟件將PLC語言(梯形圖語言)、CAN總線嵌入到單片機中,使單片機的產(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.強化運算能力,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.提供開放式擴展結(jié)構(gòu),支持第三方開發(fā)擴展單元的接線；4.增加了網(wǎng)絡(luò)互連功能,在遠程端加載專用瀏覽器后,即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

　　系統(tǒng)軟件包括三個部分。

　?、?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；
　?、?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5年。
② CPU： C8051F040。
③ 嵌入擴展能力
*32 IO：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
　　　　　　　　　　　

圖1 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（可輸入標(biāo)準(zhǔn)信號或熱電偶信號）。

1、硬件設(shè)計

　　硬件整體結(jié)構(gòu)圖如下：

　　　　　　　　　　　　圖2 硬件整體結(jié)構(gòu)圖

　　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)的通道控制線來進行16個模擬信號通道間的切換。

　?。?）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＋R98R56）。
　　　　　　

　　　　　　　　　　　圖3 模擬信號放大電路

　?。?）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。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　圖4 信號選擇電路圖

　　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。由于系統(tǒng)軟件中已經(jīng)加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模擬量PLC的二次驅(qū)動軟件的開發(fā)主要集中在模擬量的AD轉(zhuǎn)換和PLC資源區(qū)中AD值的實時刷新上。

　　（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。

　?。?）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#XAI,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)。到此，16路模擬量PLC的開發(fā)工作基本完成。

　　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、臺達等多家人機界面；
　　3. 支持梯形圖編程（86條指令）；
　　4. 支持CANbus互連（多機并聯(lián)運行或擴展單元連接）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±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。

　　　　　圖5 基于嵌入式PLC開發(fā)的多路模擬量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點梯形圖

　　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。