基于嵌入式PLC芯片組的多路模擬量PLC的開發

分類：解決方案日期：2007-02-02 00:00:00

摘要：本文介紹了一種新的PLC開發過程——嵌入式PLC的開發。嵌入式PLC以用戶的應用為中心，軟硬件可由用戶根據工藝需要來裁剪，很好地滿足了用戶的個性化需求。
關鍵詞：嵌入式PLC芯片組系統軟件內核
如今工業控制產品已發展到一個追求個性化、差異化的階段。傳統的PLC產品已經無法滿足更加細分化的市場需求，為了滿足這種需求，出現了嵌入式PLC產品。
一、嵌入式PLC
嵌入式PLC是將PLC系統軟件構建于控制器內，根據用戶控制需要定制硬件，以PLC的應用方式解決對象控制問題的PLC。它由兩部分組成：嵌入式PLC系統軟件和芯片組
1、嵌入式PLC系統軟件
嵌入式PLC系統軟件將PLC語言(梯形圖語言)、CAN總線嵌入到單片機中,使單片機的產品開發從使用匯編語言變為使用PLC梯形圖語言,并具有CAN總線的互連特性。
該系統軟件具有以下特點:1.以梯形圖語言為內核,添加了中斷管理系統,能實現PLC無法實現的硬實時操作;2.強化運算能力,增加了CANBUS函數庫、浮點數庫、專家自整定PID、嵌入式WEB等,豐富了PLC的功能;3.提供開放式擴展結構,支持第三方開發擴展單元的接線;4.增加了網絡互連功能,在遠程端加載專用瀏覽器后,即可實現遠程監控。
系統軟件包括三個部分。
①嵌入式PLC內核：　它完成實時任務調度、梯形圖語言解釋、執行、通訊等基本功能，并提供二次開發驅動接口；
②二次開發驅動程序　通過系統軟件提供的外掛任務，使用內核開發各種面向具體對象個性化、差異化的驅動程序；
③終端應用程序　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系統軟件的核心芯片組，作為一款加載了系統軟件的硬件平臺，可以用來設計通用和專用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 I/O：可復用成SPI、I2C接口及外中斷、外計數、AD等。
●4 AD： 12位精度，100 KPS。
●2 DA： 12位精度，100 KPS。
④ 通信接口
●CANBUS：系統軟件管理，使用工具軟件CANSet構建CANBUS總線網絡。
●UART0：系統軟件管理，用于梯形圖編程、監控，支持人機界面及用戶驅動程序下載。
●UART1：系統軟件管理，用于下載CANBUS網絡參數、構建RS485網絡及支持第三方設備互連。
2）芯片組原理框圖：

二、應用開發
基于加載了系統軟件的核心芯片組，我們可以根據工藝需要來開發自己的嵌入式PLC產品。下面就介紹基于嵌入式PLC芯片組開發的16路輸入的模擬量PLC產品（可輸入標準信號或熱電偶信號）。
1、硬件設計
硬件整體結構圖如下：

AI0是芯片組內的一個AD轉換通道，P1.0—P1.4作為模擬開關的通道控制線來進行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品的要求。在這里OP07由±5V供電，R18、R79作為調零電阻，輸出電壓由下式給出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

此主題相關圖片如下：

（2）信號選擇電路
選擇16通道的模擬開關CD4067構成信號選擇電路，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轉換通道。

此主題相關圖片如下：

2、軟件開發
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片開發的，所以二次程序的開發使用51匯編語言。開發選擇的編譯器是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了，需要熟悉如下內容：a、內核功能b、內核結構c、內核任務管理d、內核存儲空間分配。【1】由于系統軟件中已經加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模擬量PLC的二次驅動軟件的開發主要集中在模擬量的AD轉換和PLC資源區中AD值的實時刷新上。
（1）程序規劃
T4中斷：完成AD轉換和16個通道的切換程序
USER_SCAN：PLC資源區中AD值的刷新。
AD轉換過程如下：每一通道連續采樣16次，采樣完后得到累加和，然后啟動下一通道的AD轉換。
PLC資源區中AD值的刷新過程如下：在梯形圖掃描周期結束時進行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的資源區的對應位置處。
（2）程序代碼
INIT_AD: ;AD初始化
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE
MOV REF0CN, #07H ;內部參考電壓/輸出到VERF
;啟動內部溫度傳感器
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次采樣次數計數。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、高字節

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16次采樣完成后,把XAI中16個采樣和（2字節）存放到XAD
RET
3、驅動程序的嵌入
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，使得內核可以調用它，從而完成二次驅動程序的開發。到此，16路模擬量PLC的開發工作基本完成。
三、功能介紹
基于嵌入式PLC開發的多路模擬量網絡節點具有以下功能：1、采集工業現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（多機并聯運行或擴展單元連接）等。這里簡要介紹下該網絡節點的梯形圖功能應用。
嵌入式PLC的系統軟件中內置了溫度轉換函數，其功能是把熱電偶毫伏信號對應的AD值轉化成溫度值。適用于任意分度熱電偶輸入信號，應用于不同的控溫場合，配合PID調節，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換成溫度值，該信號AD值放在D5000，轉換后的溫度值存放在D5160中。

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