任源博

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

PLC軟開發(fā)控制系統(tǒng)是單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的有機(jī)組成部分，并在自動(dòng)化通信中，以其強(qiáng)抗干擾能力及其一鍵式工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，促進(jìn)了單片機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式PLC軟開發(fā)（Embedded PLC soft development）成為單片機(jī)編程接口通信中使用較為廣泛的技術(shù)形式之一。不可忽略的是，基于PLC控制系統(tǒng)在單片機(jī)中的應(yīng)用，以其抗干擾措施加速了單片機(jī)的發(fā)展，并為進(jìn)一步滿足PLC用戶需求提供了可能。現(xiàn)就單片機(jī)技術(shù)下的嵌入式PLC軟開發(fā)設(shè)計(jì)分析如下。

1 設(shè)計(jì)原因

基于單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)中，受電源波形畸變、電路耦合、輸入元器件觸點(diǎn)抖動(dòng)、電容性和電感性等諸多干擾因素制約，直接程度上降低了系統(tǒng)開發(fā)的性能。究其原因，在PLC控制系統(tǒng)下的GTR（電力晶體管，Giant transistor）、GTO(門級(jí)可關(guān)斷晶閘管，Gatelevel thyristor can be turned off)等電力半導(dǎo)體器件，本身對(duì)諧波、噪聲等干擾易感。同時(shí)，受PLC接地點(diǎn)選擇不當(dāng)或接地不良導(dǎo)致回路公共阻抗發(fā)生耦合，產(chǎn)生電流對(duì)PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。此外，輸入元器件觸點(diǎn)的抖動(dòng)受現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)裂變，誤信號(hào)而形成干擾。由電容引發(fā)的電容性干擾（電容耦合對(duì)PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾），干擾源中交變磁場(chǎng)通過干擾對(duì)象中的電感性元件耦合成為系統(tǒng)干擾中需要關(guān)注的問題。

2 設(shè)計(jì)目的

嵌入式PLC軟開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參與各類信號(hào)處理和控制的顯示。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生產(chǎn)效率提升中起到了助推作用。比之傳統(tǒng)PLC ，在可靠性、體積、資源擴(kuò)展能力、開放架構(gòu)、用戶需求上等均得到了大幅度提高。與此同時(shí)，還在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)諸多領(lǐng)域中起到了有效的控制效果。

3 設(shè)計(jì)工序流程

3.1 設(shè)計(jì)方案選擇

首先，從硬件電路上著手設(shè)計(jì)，即通過確定合理的硬件設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)計(jì)要點(diǎn)為，抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。其次，從硬件設(shè)計(jì)角度入手，合理配置相應(yīng)供電電源，選擇高性能設(shè)備、正確接地點(diǎn)、接地方式等有效措施，做好諸環(huán)節(jié)控制，以達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 嵌入式PLC硬件原理框圖

3.2 抗干擾能力設(shè)計(jì)

首先，從電源系統(tǒng)上著手，抑制電網(wǎng)引入，加強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，采用隔離性能較好的電源。使用環(huán)節(jié)，將電源與系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備分開配線，利用PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。基于系統(tǒng)本身干擾問題，需在PLC控制系統(tǒng)抗干擾基礎(chǔ)上，采用帶屏蔽層的隔離變壓器進(jìn)行供電，配合接線路濾波器，以有效抑制交直流電流在系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，旨在保障系統(tǒng)安全、抑制干擾。接地方式依照不同情況，選擇浮地、直接接地、電容接地等方式。從適用性來講，直接接地（串聯(lián)一點(diǎn)接地式和并聯(lián)一點(diǎn)接地式）具有操作簡(jiǎn)單、性能影響下、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。以PLC控制集中系統(tǒng)中，并聯(lián)一點(diǎn)接入式為例，適用于各個(gè)裝置中柜體中心接地點(diǎn)。以單獨(dú)的接地線引向接地極。裝置間距較大者，采用串聯(lián)一點(diǎn)接入式接地方式。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方案選擇，是加強(qiáng)單片機(jī)PLC控制系統(tǒng)抗干擾能力中與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并重的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，需綜合考慮錯(cuò)誤信號(hào)的設(shè)計(jì)屏蔽，以避免錯(cuò)誤信號(hào)加劇導(dǎo)致的干擾。

具體方法為應(yīng)用兩個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，限定PLC控制系統(tǒng)只在該開關(guān)正常發(fā)信號(hào)的時(shí)間內(nèi)采樣。嵌入式軟PLC硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過外部輸入開關(guān)量——光電隔離后連接到FPGAI／O口（FPGAI/O口分配電路）——FPGA地址譯碼——數(shù)據(jù)地址總線與CPU（中央處理器，Central Processing Unit / Processor）相連——通過數(shù)據(jù)地址總線獲得和設(shè)置輸入量工作狀態(tài)。嵌入式軟PLC的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及編輯狀態(tài)、生產(chǎn)過程應(yīng)用程序兩大部分。且結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，用以實(shí)現(xiàn)程序輸入、編譯、執(zhí)行和監(jiān)控。具體模塊間數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)流程如表2所示。

圖2 模塊間數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)流程

3.4 基于EASY CORE芯片組的嵌入式PLC軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

以EASY CORE的PLC芯片組應(yīng)用為例，通過加載嵌入式PLC軟件平臺(tái)來達(dá)到滿足用戶使用目的。在PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，以其混合式高性能單片機(jī)，I/O端口，CAN2．0B集成控制器，ADC、PGA和模擬復(fù)用開關(guān)（ADS1262 具有PGA、內(nèi)部參考和輔助ADC的高分辨率、32位、38 kSPS ADC），DAC、64KB可 編 程 Flash存 儲(chǔ) 器，RAM、SPI、SMBus/I2C，UART串行接口、通用定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)陣列捕捉/比較模塊、定時(shí)器、VDD監(jiān)視器、溫度傳感器等構(gòu)建，且能夠耐受-45～+85℃、2．7～3．6V的工作范圍和工作電壓的設(shè)計(jì)參數(shù)，很好地與設(shè)計(jì)初衷相吻合。

在設(shè)計(jì)方面，通過設(shè)置開關(guān)交叉控制寄存器，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)中斷、信號(hào)瞬時(shí)輸出的效能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制中，通過加載FX2N PLC，實(shí)現(xiàn)了梯形圖語言監(jiān)控程序、指令系統(tǒng)、通信格式、FX2NPLC等的相互兼容。軟件編程的加載實(shí)現(xiàn)了通用組態(tài)軟件監(jiān)控。在用戶驅(qū)動(dòng)開發(fā)接口中，以其嵌入式匯編程序、I/O點(diǎn)配置、AD/DA等諸多功能，實(shí)現(xiàn)了程序代碼存放地質(zhì)存儲(chǔ)效能、用戶可使用中斷源、用戶使用區(qū)(20H～23H)、尋址寄存器用戶使用區(qū)(58H～67H)、外部RAM用戶使用區(qū)(3600H～3FFFH)、PLC資源區(qū)(輸入位地址范圍為CIO 0 ～CIO 99，輸出位地址范圍為CIO 100 ～ CIO 199)……

3.5 設(shè)計(jì)可行性分析

單片機(jī)技術(shù)下的嵌入式PLC軟開發(fā)，以其C+、嵌入式系統(tǒng)共享CPU，滿足了系統(tǒng)可靠性PLC和嵌入式的無導(dǎo)線連接，高級(jí)功能顯示屏、系統(tǒng)編輯鍵等均可實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的自如編輯操作。此外，以RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)中，通過其在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，以其可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床開關(guān)量信號(hào)的有效控制。在工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，通過采用開關(guān)量I/O板、外接繼電器、主機(jī)軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床開關(guān)的有效控制。通過采用RTLinux操作系統(tǒng)嵌入式PLC，實(shí)現(xiàn)了開放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和多線程/多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)設(shè)計(jì)效能。

單片機(jī)技術(shù)下，嵌入式PLC軟開發(fā)以其可編程控制效能，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。比之常規(guī)技術(shù)，在設(shè)備兼容性、高速計(jì)算性能、通信能力上有著顯著的對(duì)比效果。

文章就嵌入式PLC軟開發(fā)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，在EASY CORE芯片組的嵌入式PLC軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)和RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)中，通過其在應(yīng)用領(lǐng)域的價(jià)值，證明了該項(xiàng)設(shè)計(jì)具有極大的可行性。