張京一

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安 710014）

基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設(shè)計

張京一

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安 710014）

伴隨著PLC功能的不斷完善和增強，基于PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛的實際情況，為了能夠更好的服務(wù)企業(yè)生產(chǎn)需求的目的。在當今工業(yè)技術(shù)不斷快速進步的時期，PLC要想能夠獲得更好發(fā)展，就必須適應(yīng)不斷變化的客戶的各種生產(chǎn)方面的相關(guān)需求，只有這樣才可以適應(yīng)社會經(jīng)濟的發(fā)展。通過本文根據(jù)實際生產(chǎn)需要設(shè)計所設(shè)計的一款嵌入式PLC，得到了成本低、功能強大等相關(guān)方面的優(yōu)點，使其在實際的生產(chǎn)加工中具有了重大的實際應(yīng)用價值。

PLC；嵌入式；LPC2294；設(shè)計

PLC可編程邏輯控制器具有很強的實用性，在自動化領(lǐng)域具有十分重要的地位。如今，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴大，得到了極大的發(fā)展，然而傳統(tǒng)的PLC則開始不能夠滿足工業(yè)控制的個性化、差異化追求，因此PLC也需要尋求改變。目前，嵌入式操作系統(tǒng)PLC的應(yīng)用則能夠滿足多方面的追求。以ARM為代表的32位高性能微處理器和高集成度的芯片對嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進作用，進而使嵌入式PLC得到了較好的發(fā)展。本研究中基于ARM微處理器LPC2294進行了嵌入式PLC的設(shè)計。

1 嵌入式PLC的整體設(shè)計方案

嵌入式PLC是采用嵌入式實時操作系統(tǒng)與SoC嵌入式芯片上系統(tǒng)來實現(xiàn)的PLC功能，該PLC能夠支持IEC61131-3編程語言，筆者設(shè)計的這一款嵌入式PLC整體設(shè)計包括了硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩個方面，硬件設(shè)計方面主要包括了6個方面的內(nèi)容，即CPU、硬件系統(tǒng)、開關(guān)輸入輸出接口電路、繼電器輸出電路、單穩(wěn)態(tài)電路、模擬量輸入電路與串行通訊電路；在軟件設(shè)計方面主要進行了PLC運行系統(tǒng)軟件設(shè)計、用戶嵌入任務(wù)調(diào)度設(shè)計與存儲管理設(shè)計。其中，PLC運行系統(tǒng)主要對整個系統(tǒng)進行管理，并執(zhí)行用戶編譯的程序；而用戶嵌入任務(wù)調(diào)度則直接面對用戶，提供編程平臺，并完成程序的轉(zhuǎn)換。

2 嵌入式PLC的硬件設(shè)計方案

2.1 CPU的選擇

PLC的核心為CPU，CPU能夠?qū)τ脩糨斎氲奶囟ǜ袷降闹噶钸M行識別，并根據(jù)指令規(guī)定與現(xiàn)場I/O信號發(fā)出控制指令，進而完成控制任務(wù)。筆者設(shè)計的基于LPC2294處理器的嵌入式PLC，其中LPC2294處理器為Philips生產(chǎn)，為32位的ARM微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)對實時仿真、跟蹤CPU的支持，帶有16 kB的片內(nèi)SRAM和256 kB的高速flash存儲器，并且功耗極低，含有112個通用型I/O接口、9個邊沿的外部中斷引腳，工作晶振最大為60 MHz，具有多個32位定時器，轉(zhuǎn)換時間僅為2.44 μs的8通道10位ADC，以及高級CAN接口4路、UART2路等。由于LPC2294處理器的硬件資源十分豐富、而且功能相對完善，因此非常適合工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、汽車等行業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的CPU為LPC2294處理器（ARM芯片），其基本模式為10路繼電器輸出、14路PNP輸入，硬件結(jié)構(gòu)整體包括了電源、復位模塊、微控制器ARM、開關(guān)量輸入及輸出、模擬量輸入及輸出、flash存儲器擴展、CAN接口通信、RS485接口通信等模塊。PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 開關(guān)輸入輸出接口電路

為了避免外部的干擾信號進入系統(tǒng)，一路開關(guān)量輸入部分的電路前端由R和C組成了一階濾波電路。輸入端的外接輸入控制開關(guān)信號經(jīng)輸入點10.0限流電阻進入PC816光電耦合器輸入端，而10.0～10.7的公共輸入端為M。設(shè)計P0.23口為輸入模式，并且內(nèi)部無上拉電阻，因此為了避免口線懸空還需要在外部接上拉電阻。當10.0輸入端為24 V（直流），PC816中光敏二極管導通，光敏晶體管輸出端變?yōu)榈碗娖?，而LED輸入狀態(tài)指示點亮，P0.23低電平；當10.0輸入端為0 V，則P0.23高電平。當CPU對兩種信號進行訪問時，輸入點對應(yīng)輸入過程的映像寄存器值前者被設(shè)置為1，后者被設(shè)置為0。圖2為開關(guān)輸入輸出接口電路。

圖2 開關(guān)輸入輸出接口電路

2.4 繼電器輸出電路

在繼電器輸出模塊為了起到續(xù)流的作用，在繼電器兩端并聯(lián)二極管。繼電器輸出模塊的工作原理是當映像寄存器被設(shè)置為1時，光敏晶體導通，LPC2294處理器端口P1.16輸出0，繼電器線圈帶電接通輸出點；當映像寄存器被設(shè)置為0時，光敏晶體斷開，LPC2294處理器端口P1.16輸出1，繼電器線圈不帶電輸出點斷開。

2.5 單穩(wěn)態(tài)電路

在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，LPC2294處理器GPIO初始上電時P1.16電壓存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此筆者設(shè)計了進行了單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計，從而保證繼電器的穩(wěn)定輸出。該單穩(wěn)態(tài)電路由以NE555定時器組成，其VCC5.0端與PC816集電極連接，在系統(tǒng)初始上電時，2、6管腳保持低電平，當輸出端3管腳為高電平，R、C電路開始充電，此時管腳2、6的電平隨著時間的延長逐漸升高，當2、6管腳電平=2/3 VCC時，3管腳變?yōu)榈碗娖?，進而導通三極管。系統(tǒng)在上電一段時間后I/O電平穩(wěn)定，此時PC816得電并工作（圖3）。這種暫時穩(wěn)定狀態(tài)的維持時間T與外接電容C和外接電阻R有關(guān)，其表達式為：

圖3 單穩(wěn)態(tài)電路

.6 模擬量輸入電路

對現(xiàn)場傳感器輸出的電流信號經(jīng)電阻R66后轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的電壓信號進行采集，為了避免干擾信號的進入，并對微處理器電路進行保護，在電路轉(zhuǎn)換輸出端加裝了HCNR201線性光耦。圖4為模擬量輸入電路。

圖4 模擬量輸入電路

2.7 串行通訊電路

本設(shè)計中為了保證與工控產(chǎn)品兼容，所以設(shè)計了RS-485接口標準，并通過SP485E收發(fā)器來使TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平。其中SP485E的數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps，能夠為接收器輸入與發(fā)送器輸出的腳管提供保護電路ESD。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC運行系統(tǒng)設(shè)計

PLC運行系統(tǒng)首先對應(yīng)用程序的內(nèi)存進行分配，然后將應(yīng)用程序加載到已分配好的內(nèi)存里，并執(zhí)行該程序的指令。當該程序要求底層系統(tǒng)提供服務(wù)時，PLC運行程序需要對有關(guān)請求進行處理。為了避免干擾進入系統(tǒng)，PLC運行系統(tǒng)是基于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ進行開發(fā)的，因此PLC運行系統(tǒng)的可靠性、開發(fā)效率都得到了提高，而開發(fā)周期則大大縮短。通過μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植，能夠?qū)εcARM處理器相關(guān)的代碼進行修改，并將其集中在3個各文件中，即OS_CPU.H文件、OS_CPU_C.C文件和OS_CPU_A.S文件。

OS_CPU.H文件內(nèi)主要包括了與編譯器和處理器有關(guān)的數(shù)據(jù)類型、堆棧類型定義，還包括了中斷處理方式定義（宏定義）與堆棧增長方式的聲明。如：typedef unsigned char INT8U、typedef signed char INT8S；typedef float FP32；typedef unsigned int OS_STK等。而處理器的打開與關(guān)閉則通過函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL（）與OS_EXIT_CRITICAL.（）來實現(xiàn)。

OS_CPU_C.C文件內(nèi)主要包括了10個函數(shù)，本設(shè)計中涉及了任務(wù)棧結(jié)構(gòu)的OSTaskStkInit（）初始化函數(shù)，另外還有9個函數(shù)，如OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）等在本設(shè)計中為空函數(shù)，不含任何代碼。

OS_CPU_A.S文件內(nèi)包含了4個函數(shù)，即OSStartHighRdy（）多任務(wù)啟動函數(shù)，OSCtxsw（）任務(wù)切換函數(shù)，OSIntCtxsw（）任務(wù)中斷切換函數(shù)和OSTickISRael（）時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)。到這里μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植就完成了，用戶以后的編程均是在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)的拓展。

3.2 用戶嵌入任務(wù)調(diào)度設(shè)計

軟件開發(fā)系統(tǒng)主要目的讓用戶進行PLC程序的編寫，因此需要進行相應(yīng)編程平臺的設(shè)計。圖5為本設(shè)計的PLC軟件系統(tǒng)。

圖5 PLC軟件系統(tǒng)

對該編程平臺的設(shè)計包括了編輯器、編程頁面、編譯器、轉(zhuǎn)換模塊以及通信模塊等設(shè)計。通過該編程平臺，用戶能夠進行PLC程序的編寫，如采用FX系列的PLC編程軟件作為編程平臺，可將梯形圖與指令表作為編程語言，然后通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒕幾g的程序轉(zhuǎn)換成C語言。該轉(zhuǎn)換程序?qū)儆诮忉屜到y(tǒng)，能夠?qū)χ噶畋磉M行逐條的翻譯，對與用戶無關(guān)的指令將進行生成和處理。通過這種編程平臺與程序編譯的轉(zhuǎn)換，使工作量獲得了大幅度的減少。

4 基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的實現(xiàn)

在LPC2294處理器的嵌入式PLC平臺中植入本次設(shè)計的PLC軟件系統(tǒng)，并與PLC的輸入與輸出硬件接口板連接，在開發(fā)系統(tǒng)中對PLC梯形圖進行編寫，在編譯完成后加載到PLC運行系統(tǒng)。按下開關(guān)0后，相鄰LED0點亮，在延遲4 s后LED1點亮，按下開關(guān)1后，相鄰LED2點亮，同時LED0熄滅。這表明，該測試結(jié)果與理論分析相一致，本次設(shè)計的嵌入式PLC控制系統(tǒng)的硬件、軟件與μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植達到了設(shè)計的預期效果。

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計了一款基于LPC2294的嵌入式PLC，通過對該嵌入式PLC硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計，使PLC的操作和通信、硬件與軟件等功能變得更加靈活，方便，而且這種設(shè)計更符合機電設(shè)備的不同需求，操作簡單，具有SoC芯片，支持IEC61131-3編程語言，在市場上也容易獲得，因此本次設(shè)計的嵌入式PLC具有一定的應(yīng)用與推廣價值。

[1]石進水.基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2013（1）:230-232.

[2]王曉光.嵌入式PLC的設(shè)計與研究 [D].成都：西華大學，2010.

[3]梁丁.基于嵌入式PLC的開發(fā)平臺體系研究[D].成都:電子科技大學，2007.

[4]欒朋.基于嵌入式ARM的PLC設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽:沈陽理工大學，2013.

[5]嚴義，王偉，鄔惠峰 .面向嵌入式PLC領(lǐng)域的構(gòu)件模型的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（2）：125-128.

[6]嚴義，胡峰令.面向嵌入式PLC的調(diào)度算法[J].計算機工程，2009，35（19）:257-259.

[7]吳國中.基于ARM的嵌入式PLC的設(shè)計與開發(fā)[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，12（4）:25-27.

【相關(guān)參考文獻鏈接】

羅茂元，胡春林.基于DM6446嵌入式虹膜識別系統(tǒng)的電源設(shè)計與實現(xiàn)[J].2014，22（7）：150-153.

郭愷，陳祖爵，劉小強.圖像采集綜合評估的嵌入式指紋識別系統(tǒng)[J].2014，22（1）：179-183.

楊亮.基于Cortex-A8嵌入式實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].2014，22（4）：152-154.

王蘇婭.嵌入式橫流風扇翼型CFD分析方法[J].2014，22（6）：158-161.

何鵬舉，吳來斌，宋凱華，等.基于粒子群算法的嵌入式云計算資源調(diào)度[J].2014，22（10）：88-90.

盛平，杜洪超.基于Web Services的嵌入式農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)[J].2014，22（11）：107-110.

許文明.基于ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)的多進程并發(fā)服務(wù)器設(shè)計[J].2014，22（13）：1-3.

The design of embedded PLC based on LPC2294 microprocessor

ZHANG Jing-yi
（Xi’an Railway Vocational and Technical College，Xi’an 710014，China）

Along with the continuous improvement of the function of PLC and strengthen，based on PLC application is more and more widely in modern industrial control of the actual situation，in order to better serve the purpose of enterprise production demand.In today's industrial technology continuously rapid progress period，PLC to be able to get a better development，must adapt to changing customer requirements concerning the various production，only in this way can adapt to the development of social economy.In this article，according to the needs of practical production design to design an embedded PLC，got the advantages of low cost，powerful related aspects，such as，in the actual production and processing of the significant value of practical application.

PLC；Embedded；LPC2294；design

TN99

A

1674－6236（2016）15-0178-03

2015-08-04 稿件編號：201508016

張京一（1984—），女，山西絳縣人，講師。研究方向：自動化。