嵌入式PLC芯片组的多路模拟量应用开发

本文介绍了一种新的PLC开发过程——嵌入式PLC的开发。嵌入式PLC以用户的应用为中心，软硬件可由用户根据工艺需要来裁剪，很好地满足了用户的个性化需求。 

关键词：嵌入式PLC芯片组  系统软件  内核    

如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足更加细分化的市场需求，为了满足这种需求，出现了嵌入式PLC产品。

一、嵌入式PLC 

嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组

1、嵌入式PLC系统软件

嵌入式PLC系统软件将PLC语言（梯形图语言）、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、专家自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。
系统软件包括三个部分。
①嵌入式PLC内核：　它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；
②二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；
③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序 

2、嵌入式PLC芯片组

EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的核心芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和专用PLC。
1）芯片组基本性能：
① 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
② CPU： C8051F040。
③ 嵌入扩展能力
●32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
●4 AD： 12位精度，100 KPS。
●2 DA： 12位精度，100 KPS。
④ 通信接口
●CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
●UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
●UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。
2）芯片组原理框图：

二、应用开发

基于加载了系统软件的核心芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。

1、硬件设计

硬件整体结构图如下：

AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。

（1）信号采集电路
用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV/℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

（2）信号选择电路
选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即第一个AD转换通道。

2、软件开发

嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。
（1）程序规划
T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序
USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。
AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。
PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。
（2）程序代码
INIT_AD: ;AD初始化
 MOV  SFRPAGE,  #ADC0_PAGE
 MOV  REF0CN,  #07H ;内部参考电压/输出到VERF
         ;启动内部温度传感器
 MOV  AMX0CF,  #00H ;单极性输入
 MOV  ADC0CF,  #0B8H ;D7——D3=SYSCLK/采样时钟-1
         ;采样转换时钟=1US
         ;D2——D0=GAIN
         ;000 GAIN=1
 MOV  ADC0CN,  #90H ;启动AD采样
 MOV  AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
 MOV  AD_COUNT,  #00H ;16次采样次数计数。初值为0 
 RET

 SAMPLE_AD:         ;AD采样开始
 MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页     
 MOV  A,  AD_CHANNEL  ;采样值的累加和是一个字基地址         ;为#XA  I ,偏移地址为AD_CHANNEL
   RL  A
  
 MOV  DPTR,  #XAI  ;XAI存放16次采样值的累加和
 ADD  A,   DPL   ;低字节相加
 MOV  DPL,  A
 MOVX A,   @DPTR
 MOV  B,   A
 MOV  A,   ADC0L
 CLR  C
 ADDC A,   B
 MOVX @DPTR,  A

 INC  DPTR     ;高字节相加
 MOVX A,   @DPTR
 MOV  B,   A
 MOV  A,   ADC0H
 ANL  A,   #0FH
 ADDC A,   B
 MOVX @DPTR,  A   ;#XAI中存放格式为低字节、高字节

 MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
 MOV  ADC0CN, #090H  ;启动下次AD采样 
   
 INC  AD_COUNT
 MOV  A,   AD_COUNT
 CLR  C
 SUBB A,   #16  
 JNC  FILL_XAI_XAD   ;当16次采样完成后,把XAI中16          ;个采样和（2 字节）存放到XAD
 RET

3、驱动程序的嵌入

在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。

三、功能介绍

基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：1、采集工业现场的多路热电偶信号，2、支持三菱、台达等多家人机界面， 3、支持梯形图编程（86条指令）， 4、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。
嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。
下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。

四、结束语

笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明，本着软硬件可裁剪的原则，开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，节约了硬件成本、缩短了研发周期，并且得到了许多强大的功能，相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。