基于嵌入式PLC芯片組的多路模擬量PLC的開發(fā)

如今工業(yè)控制產(chǎn)品已發(fā)展到一個(gè)追求個(gè)性化、差異化的階段。傳統(tǒng)的PLC產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足更加細(xì)分化的市場(chǎng)需求，為了滿足這種需求，出現(xiàn)了嵌入式PLC產(chǎn)品。
一、嵌入式PLC
嵌入式PLC是將PLC系統(tǒng)軟件構(gòu)建于控制器內(nèi)，根據(jù)用戶控制需要定制硬件，以PLC的應(yīng)用方式解決對(duì)象控制問題的PLC。它由兩部分組成：嵌入式PLC系統(tǒng)軟件和芯片組
1、嵌入式PLC系統(tǒng)軟件
嵌入式PLC系統(tǒng)軟件將PLC語言(梯形圖語言)、CAN總線嵌入到單片機(jī)中,使單片機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)從使用匯編語言變?yōu)槭褂肞LC梯形圖語言,并具有CAN總線的互連特性。
該系統(tǒng)軟件具有以下特點(diǎn):1.以梯形圖語言為內(nèi)核,添加了中斷管理系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)PLC無法實(shí)現(xiàn)的硬實(shí)時(shí)操作;2.強(qiáng)化運(yùn)算能力,增加了CANBUS函數(shù)庫(kù)、浮點(diǎn)數(shù)庫(kù)、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(kuò)展結(jié)構(gòu),支持第三方開發(fā)擴(kuò)展單元的接線;4.增加了網(wǎng)絡(luò)互連功能,在遠(yuǎn)程端加載專用瀏覽器后,即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
系統(tǒng)軟件包括三個(gè)部分。
①嵌入式PLC內(nèi)核：　它完成實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、梯形圖語言解釋、執(zhí)行、通訊等基本功能，并提供二次開發(fā)驅(qū)動(dòng)接口；
②二次開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序　通過系統(tǒng)軟件提供的外掛任務(wù)，使用內(nèi)核開發(fā)各種面向具體對(duì)象個(gè)性化、差異化的驅(qū)動(dòng)程序；
③終端應(yīng)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(gè)加載了嵌入式PLC系統(tǒng)軟件的核心芯片組，作為一款加載了系統(tǒng)軟件的硬件平臺(tái)，可以用來設(shè)計(jì)通用和專用PLC。
1）芯片組基本性能：
① 供電：+5V 200mA，RAM掉電保護(hù)5年。
② CPU： C8051F040。
③ 嵌入擴(kuò)展能力
●32 I/O：可復(fù)用成SPI、I2C接口及外中斷、外計(jì)數(shù)、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(tǒng)軟件管理，使用工具軟件CANSet構(gòu)建CANBUS總線網(wǎng)絡(luò)。
●UART0：系統(tǒng)軟件管理，用于梯形圖編程、監(jiān)控，支持人機(jī)界面及用戶驅(qū)動(dòng)程序下載。
●UART1：系統(tǒng)軟件管理，用于下載CANBUS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、構(gòu)建RS485網(wǎng)絡(luò)及支持第三方設(shè)備互連。
2）芯片組原理框圖：


二、應(yīng)用開發(fā)
基于加載了系統(tǒng)軟件的核心芯片組，我們可以根據(jù)工藝需要來開發(fā)自己的嵌入式PLC產(chǎn)品。下面就介紹基于嵌入式PLC芯片組開發(fā)的16路輸入的模擬量PLC產(chǎn)品（可輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或熱電偶信號(hào)）。
1、硬件設(shè)計(jì)
硬件整體結(jié)構(gòu)圖如下：


AI0是芯片組內(nèi)的一個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道，P1.0—P1.4作為模擬開關(guān)的通道控制線來進(jìn)行16個(gè)模擬信號(hào)通道間的切換。

（1）信號(hào)采集電路
用AD公司的高精密放大器OP07構(gòu)成模擬信號(hào)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(chǎn)品的要求。在這里OP07由±5V供電，R18、R79作為調(diào)零電阻，輸出電壓由下式給出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。


（2）信號(hào)選擇電路
選擇16通道的模擬開關(guān)CD4067構(gòu)成信號(hào)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(guān)的通道選擇控制信號(hào)。OUT引腳接到芯片組的AIN0，即第一個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道。



2、軟件開發(fā)
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片開發(fā)的，所以二次程序的開發(fā)使用51匯編語言。開發(fā)選擇的編譯器是KEIL C51，因?yàn)樗梢陨晌覀兯枰?HEX文件。
內(nèi)核留出了七個(gè)用戶嵌入程序接口，我們只需要充分理解各個(gè)接口的功能就可了進(jìn)行二次開發(fā)了，需要熟悉如下內(nèi)容：a、內(nèi)核功能b、內(nèi)核結(jié)構(gòu)c、內(nèi)核任務(wù)管理d、內(nèi)核存儲(chǔ)空間分配。【1】由于系統(tǒng)軟件中已經(jīng)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(qū)動(dòng)軟件的開發(fā)主要集中在模擬量的AD轉(zhuǎn)換和PLC資源區(qū)中AD值的實(shí)時(shí)刷新上。
（1）程序規(guī)劃
T4中斷：完成AD轉(zhuǎn)換和16個(gè)通道的切換程序
USER_SCAN：PLC資源區(qū)中AD值的刷新。
AD轉(zhuǎn)換過程如下：每一通道連續(xù)采樣16次，采樣完后得到累加和，然后啟動(dòng)下一通道的AD轉(zhuǎn)換。
PLC資源區(qū)中AD值的刷新過程如下：在梯形圖掃描周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的資源區(qū)的對(duì)應(yīng)位置處。
（2）程序代碼
INIT_AD: ;AD初始化
MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE
MOV REF0CN, #07H ;內(nèi)部參考電壓/輸出到VERF
;啟動(dòng)內(nèi)部溫度傳感器
MOV AMX0CF, #00H ;單極性輸入
MOV ADC0CF, #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采樣時(shí)鐘-1
;采樣轉(zhuǎn)換時(shí)鐘=1US
;D2--D0=GAIN
;000 GAIN=1
MOV ADC0CN, #90H ;啟動(dòng)AD采樣
MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道號(hào)，初值為0
MOV AD_COUNT, #00H ;16次采樣次數(shù)計(jì)數(shù)。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(gè)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(jié)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(jié)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(jié)、高字節(jié)

MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器頁
MOV ADC0CN, #090H ;啟動(dòng)下次AD采樣

INC AD_COUNT
MOV A, AD_COUNT
CLR C
SUBB A, #16
JNC FILL_XAI_XAD ;當(dāng)16次采樣完成后,把XAI中16 ;個(gè)采樣和（2字節(jié)）存放到XAD
RET
3、驅(qū)動(dòng)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(nèi)核可以調(diào)用它，從而完成二次驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。到此，16路模擬量PLC的開發(fā)工作基本完成。
三、功能介紹
基于嵌入式PLC開發(fā)的多路模擬量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有以下功能：1、采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多路熱電偶信號(hào)，2、支持三菱、臺(tái)達(dá)等多家人機(jī)界面， 3、支持梯形圖編程（86條指令）， 4、支持CANbus互連（多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行或擴(kuò)展單元連接）等。這里簡(jiǎn)要介紹下該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的梯形圖功能應(yīng)用。
嵌入式PLC的系統(tǒng)軟件中內(nèi)置了溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，其功能是把熱電偶毫伏信號(hào)對(duì)應(yīng)的AD值轉(zhuǎn)化成溫度值。適用于任意分度熱電偶輸入信號(hào)，應(yīng)用于不同的控溫場(chǎng)合，配合PID調(diào)節(jié)，使受控溫度精度可達(dá)±1℃。
下面的梯形圖程序就是把一路熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值，該信號(hào)AD值放在D5000，轉(zhuǎn)換后的溫度值存放在D5160中。


四、結(jié)束語
筆者利用嵌入式PLC芯片組開發(fā)的的PLC產(chǎn)品的實(shí)例證明，本著軟硬件可裁剪的原則，開發(fā)出的產(chǎn)品可以很好的滿足用戶的個(gè)性化需求，節(jié)約了硬件成本、縮短了研發(fā)周期，并且得到了許多強(qiáng)大的功能，相信它的出現(xiàn)必將使得PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出越來越多的貼近終端市場(chǎng)的PLC。