基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计 - 全文

　　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。