嵌入式PLC的設(shè)計(jì)及通信功能的擴(kuò)展

李雪蓮

（寶雞文理學(xué)院 陜西 寶雞 721016）

可編程控制器（PLC）以工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、編程方便被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。目前，大部分PLC工程師采用的是梯形圖進(jìn)行編程，容易上手，開(kāi)發(fā)周期短，然而，人們?cè)谑褂眠^(guò)程中也逐漸發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC的缺點(diǎn):兼容性差、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、封閉、擴(kuò)展能力差、成本較高等[1]，針對(duì)這一現(xiàn)狀，市場(chǎng)上的多款單片機(jī)工控板應(yīng)運(yùn)而生。這些工控板與傳統(tǒng)PLC相比有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是很多做工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工程師仍不愿用單片機(jī)工控板代替PLC，其主要原因是單片機(jī)工控板的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方式與梯形圖開(kāi)發(fā)相比難度較大且不利于應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。

通過(guò)對(duì)PLC運(yùn)行機(jī)制、梯形圖指令及其軟件開(kāi)發(fā)工具的研究，本文設(shè)計(jì)以STM32為平臺(tái)、以西門子S7-200為設(shè)計(jì)模型的嵌入式PLC，支持梯形圖與C語(yǔ)言的混合開(kāi)發(fā)，同時(shí)兼容了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)靈活、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。為了更好的適應(yīng)當(dāng)今通信的快速發(fā)展要求，移植了Modbus、TCP-ip協(xié)議，增強(qiáng)了嵌入式PLC的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)工作流程

S7-200是一種小型的PLC，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性好、功能模塊豐富、指令強(qiáng)大以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以滿足多種控制系統(tǒng)的需要[2]。傳統(tǒng)PLC采用循環(huán)掃描工作方式，一般包括5個(gè)階段：內(nèi)部處理，通信服務(wù)，輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新[3]。

本文以S7-200為參考模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循傳統(tǒng)PLC工作方式，采用掃描方式運(yùn)行。有兩種狀態(tài)，Run（運(yùn)行）和Stop（停止），分別對(duì)應(yīng)硬件資源的兩個(gè)按鍵。當(dāng)系統(tǒng)處于Run狀態(tài)時(shí)，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)后，還要完成輸入采樣、程序運(yùn)行、輸出刷新。當(dāng)系統(tǒng)處于Stop狀態(tài)時(shí)，只運(yùn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)。

本系統(tǒng)建立在STM32F103RBT6芯片平臺(tái)之上，利用軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)、通信以及編程等功能，通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)模塊以及現(xiàn)場(chǎng)總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的輸出[4]。整個(gè)系統(tǒng)可以分成內(nèi)部處理、通信服務(wù)以及虛擬機(jī)運(yùn)行三階段，Run和Stop兩種狀態(tài)，如圖1所示。內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，系統(tǒng)硬件軟件初始化、是否進(jìn)行程序上載/下載等；通信服務(wù)階段，該嵌入式PLC可以通過(guò)Modbus或者Tcp-ip協(xié)議與其他裝置實(shí)現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新LCD液晶屏的顯示內(nèi)容；虛擬機(jī)運(yùn)行階段是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它直接解析語(yǔ)句表代碼，通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)不斷讀取I/O設(shè)備的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)程序逐條執(zhí)行，生成最終的I/O控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

2 硬件架構(gòu)

圖1 嵌入式PLC工作流程示意圖Fig.1 Schematic plot of Embedded PLCwork process

嵌入式PLC通過(guò)對(duì)光耦器件進(jìn)行電氣隔離和對(duì)電源部分加入高頻濾波來(lái)提高其安全性。系統(tǒng)的硬件根據(jù)其功能布局，可以劃分成5個(gè)模塊電路：CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊，通信模塊，片外存儲(chǔ)模塊。其整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件邏輯框圖Fig.2 The logic picture of hardware

CPU模塊采用的主控芯片隸屬于STM32系列中等容量增強(qiáng)型。CPU內(nèi)核為ARM 32位的Cortex?-M3，最高72MHz工作頻率，擁有128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器與高達(dá)20K字節(jié)的 SRAM，外設(shè)豐富[5]。

輸入模塊包括6路A/D模擬輸入以及8路隔離I/O開(kāi)關(guān)量輸入兩種類型。輸出模塊包括7路繼電器輸出、一個(gè)液晶屏和一個(gè)蜂鳴器輸出。其中，繼電器為歐姆龍G5V-1DC5小型繼電器。線圈額定電壓5 V，額定電流30mA。額定負(fù)載AC125V 0.5A、DC24V 1A，動(dòng)作時(shí)間 5ms以下。

Modbus通過(guò)串口該嵌入式PLC通信，其接口原理圖如圖3所示。串口電平轉(zhuǎn)換芯片為美芯公司的MAX3232，TXD0與RXD0連接到STM32的USART1。

圖3 RS-232接口原理圖Fig.3 The principle picture of RS-232 port

通信模塊同時(shí)設(shè)計(jì)了來(lái)自Microchip帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，方便擴(kuò)展。該以太網(wǎng)控制器集成MAC和10 BASE-T PHY，與STM32的通信接口為最高速度可達(dá)10 Mb/s的SPI接口。脈沖變壓器來(lái)自Pulse型號(hào)為H1102。原理圖如圖4所示。

片外存儲(chǔ)模塊主要是指2MB的片外Flash，用來(lái)儲(chǔ)存PLC程序，通過(guò)SPI接口與CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)工作流程可知，軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：內(nèi)部處理、通信服務(wù)、虛擬機(jī)運(yùn)行過(guò)程，以下將詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 內(nèi)部處理

主要包括以下幾個(gè)方面：

1）硬件初始化：STM32內(nèi)核芯片的初始化及軟件所用到的片上資源以及通信協(xié)議的初始化，如時(shí)鐘、定時(shí)器、Flash、ADC、串口、I/O口、液晶屏及顯示器、FreeModbus協(xié)議的初始化等。

2）按鍵判斷：2個(gè)按鍵，按下分別代表上載和下載。程序上載是指將系統(tǒng)存儲(chǔ)的程序上載傳輸?shù)絇C機(jī)上，程序下載是將編寫(xiě)好的梯形圖程序燒寫(xiě)到系統(tǒng)的Flash。整個(gè)過(guò)程都是在單片機(jī)控制下完成的，其中PC機(jī)通過(guò)串口與系統(tǒng)傳輸程序，系統(tǒng)通過(guò)SPI接口對(duì)Flash進(jìn)行燒寫(xiě)。在程序下載時(shí)利用了STM32串口的DMA高速傳輸，加快存取速度。為確保程序傳輸與程序燒寫(xiě)能夠并行，DMA傳輸?shù)闹鞔娴刂肥莾山M512字節(jié)的緩沖器，當(dāng)一組傳輸完成后觸發(fā)中斷，在中斷中切換DMA的主存地址到另一組緩沖器，同時(shí)CPU開(kāi)始將緩沖器中的內(nèi)容燒寫(xiě)片外Flash，這樣通過(guò) “雙乒乓緩沖”的方式大幅提升程序燒寫(xiě)速度。

3.2 通信服務(wù)

考慮到較好通用性，以便與其他設(shè)備相連進(jìn)行通信，系統(tǒng)集成了高級(jí)通信協(xié)議Modbus與TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)利用FreeModbus實(shí)現(xiàn)RTU與ASCII格式的Modbus從站通信，用戶可利用Modbus協(xié)議讀寫(xiě)Q、I、模擬量變量。同時(shí)，利用Uip協(xié)議棧提供的TCP與DUP接口函數(shù)，可方便的進(jìn)行以太網(wǎng)通行，可以搭建小型的WEB服務(wù)器，用戶可通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)該嵌入式PLC。

3.2.1 協(xié)議移植

1）FreeModbus的移植

Modbus是一種串行通信協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間相當(dāng)常用的連接方式。FreeModbus是針對(duì)通用的Modbus協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，協(xié)議接收和傳輸RTU／ASCII數(shù)據(jù)幀是通過(guò)一個(gè)由硬件提取層的調(diào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，這就使得該協(xié)議棧非常容易移植到其他的平臺(tái)之上。當(dāng)收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后，該數(shù)據(jù)幀被傳人Modbus應(yīng)用層，數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容在該層得到解析。為方便增加新的Modbus功能，F(xiàn)reeModbus在應(yīng)用層通提供了Hooks。

圖4 以太網(wǎng)接口原理圖Fig.4 The principle picture of Ethernet port

本系統(tǒng)采用的Freemodbus版本為V1.5，其協(xié)議的移植對(duì)硬件的需求是比較少的，需要處理器具有一個(gè)支持中斷的異步串行接口，該中斷至少包括接收緩沖區(qū)滿中斷和發(fā)送寄存器空中斷。另外，需要一個(gè)足夠處理FreeModbus數(shù)據(jù)幀的RAM空間，和一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生Modbus協(xié)議時(shí)基的定時(shí)器。對(duì)于本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的主控芯片STM32F103RBT6來(lái)說(shuō)，完全滿足上述條件，具備了較好的硬件移植環(huán)境，主要移植過(guò)程如下：

第一步：在port.h中定義了全局中斷的開(kāi)關(guān)用來(lái)處理臨界問(wèn)題。

第二步：配置異步串口的中斷接口，用來(lái)處理數(shù)據(jù)。

第三步：提供時(shí)間基準(zhǔn)的定時(shí)器。

FreeModbus主要通過(guò)4個(gè)回調(diào)函數(shù)：eMBRegInputCB（讀數(shù) 字 寄 存 器 ）、eMBRegHoldingCB （ 讀/寫(xiě) 數(shù) 字 寄 存 器 ）、eMBRegCoilsCB（讀/寫(xiě)開(kāi)關(guān)寄存器）、eMBRegDiscreteCB（讀開(kāi)關(guān)寄存器），來(lái)訪問(wèn)用戶所指定的數(shù)據(jù)。嵌入式PLC已將I/O開(kāi)關(guān)寄存器，模擬量數(shù)字寄存器與回調(diào)函數(shù)進(jìn)行掛接，可使用Modbus進(jìn)行讀寫(xiě)。寄存器的讀寫(xiě)函數(shù)已經(jīng)將PLC虛擬機(jī)的各變量的地址重新映射如表1所示，將PLC虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)區(qū)分成了3個(gè)區(qū) 。

2）uip協(xié)議的移植

TCP/IP協(xié)議是傳輸控制協(xié)議的簡(jiǎn)稱，它實(shí)際上是一個(gè)協(xié)議族，包括許多相關(guān)協(xié)議，目前較為著名的免費(fèi)開(kāi)源協(xié)議棧有：lwIP、uIP、openTCP、TinyTCP 等。 uIP 是專門為 8 位和 16單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常小的TCP/IP協(xié)議棧。uIP完全用C編寫(xiě)，可以很方便的移植到各種不同的結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)上[6]。一個(gè)編譯的?？梢杂袔譑B ROM或幾百字節(jié)RAM中運(yùn)行。并且其硬件處理層、協(xié)議棧層和應(yīng)用層共用一個(gè)全局緩存區(qū)，不存在數(shù)據(jù)的拷貝，極大的節(jié)省空間和時(shí)間。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠，很多單片機(jī)都移植uIP協(xié)議棧。

表1 嵌入式PLC與FreeM odbus地址對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The corresponding relationship of embedded PLC and FreeM odbus address

本文移植的版本是uIP1.0版本，uIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡(jiǎn)化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的協(xié)議，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下協(xié)議：

ARP：地址解析協(xié)議

IP：網(wǎng)際協(xié)議

ICMP：因特網(wǎng)信息控制協(xié)議

TCP：傳輸控制協(xié)議

UDP：數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議

主要移植過(guò)程如下：

第一步：提供網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)3個(gè)函數(shù):tapdev_init（）網(wǎng)卡初始化函數(shù)，初始化網(wǎng)卡的工作模式；tapdev_read（）讀包函數(shù)。

第二步：配置STM32的SysTick定時(shí)器作時(shí)鐘。

第三步：在uipopt.h/uip-conf.h用來(lái)配置uIP，包括本地IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、MAC地址等。

3.2.2 通信服務(wù)過(guò)程

主要是Modbus、Tcp-ip協(xié)議的處理過(guò)程，本系統(tǒng)默認(rèn)的通信過(guò)程發(fā)生在Stop狀態(tài)下，其他時(shí)間是無(wú)效的。系統(tǒng)對(duì)Modbus協(xié)議進(jìn)行解析和中斷觸發(fā)讀取網(wǎng)絡(luò)接受緩存，來(lái)判斷是否有Modbus或者Tcp-ip通信的需求，若是有，則進(jìn)行相應(yīng)的通信過(guò)程。

3.2.3 通信協(xié)議測(cè)試

通過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)控制平臺(tái)，該平臺(tái)運(yùn)行于TPC7062KS一體化觸摸屏，通過(guò)RS-232串行口與STM相連。控制平臺(tái)為ModbusRTU主站，STM32-PLC為從站，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證，協(xié)議運(yùn)行正常。

在嵌入式PLC內(nèi)置Web服務(wù)器，其他設(shè)備可訪問(wèn)這個(gè)WEB站點(diǎn)。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的表單操作便可控制PLC中部分的變量值或是實(shí)現(xiàn)其他功能，驗(yàn)證了uip協(xié)議的正確性。

3.3 虛擬機(jī)運(yùn)行

虛擬機(jī)運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)核心部分，分為三步：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新，其原理圖如圖5所示。首先通過(guò)掃描輸入電路得到的狀態(tài)輸入到輸入映像寄存器中，其次經(jīng)過(guò)虛擬機(jī)處理執(zhí)行程序，按照順序方式掃描[7]，當(dāng)指令涉及到輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，分別從相應(yīng)的虛擬存儲(chǔ)器中讀取或者更新數(shù)據(jù)。最后，當(dāng)程序執(zhí)行完畢，將根據(jù)輸出映像的狀態(tài)輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)負(fù)載。輸入采樣和輸出刷新相對(duì)簡(jiǎn)單，以下將對(duì)程序執(zhí)行部分進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖5 虛擬機(jī)執(zhí)行原理圖Fig.5 The principle picture of virtualmachine execution

程序執(zhí)行，主要完成指令程序的處理，將輸出結(jié)果時(shí)時(shí)更新到虛擬存儲(chǔ)單元中。根據(jù)其過(guò)程，將其分成兩個(gè)步驟：代碼載入和語(yǔ)句解釋。代碼載入負(fù)責(zé)讀取程序以及對(duì)程序的初步處理，語(yǔ)句解釋將完成程序運(yùn)算以及堆棧操作，并且不斷更新定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換器、IO模塊的數(shù)值。

1）代碼載入

語(yǔ)句表代碼載入主要負(fù)責(zé)將片外Flash芯片中的語(yǔ)句表進(jìn)行讀取，分離掉語(yǔ)句表中如注釋、空格、換行等無(wú)效內(nèi)容，提取程序塊，網(wǎng)絡(luò)號(hào)以及當(dāng)前的程序地址，以便更新代碼載入，將有效的語(yǔ)句表指令送入一個(gè)二維數(shù)組，然后進(jìn)入下一條指令的讀取。語(yǔ)句表代碼載入主要由兩部分構(gòu)成：指令讀取、指令預(yù)處理。

在STM32芯片中，開(kāi)辟了一個(gè)容量為512字節(jié)的緩存，指令每次讀取以換行符為一行的結(jié)束標(biāo)志的一行，直到將片外Flash的讀取到此緩存放滿512字節(jié)為止。指令讀取完畢后，進(jìn)行指令預(yù)處理，進(jìn)行信息更新和instruc[][]數(shù)組的更新。instruc[][]數(shù)組是個(gè)二維數(shù)組，存放的是當(dāng)前指令，其中，instruc[0]存放的是指令操作碼，如 LD（取指令），A（與指令）等，instruc[1]、instruct[2]、instruct[3]存放的是操作數(shù)，本文默認(rèn)的可支持操作數(shù)個(gè)數(shù)是3個(gè)。

2）語(yǔ)句解釋

語(yǔ)句表解釋器將根據(jù)instruc[][]中的內(nèi)容操作PLC虛擬機(jī)的堆棧與變量。解釋器函數(shù)名為Execute_Instruc（）。這是一個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的函數(shù)。Execute_Instruc（）將根據(jù)instruc[0]中的指令操作碼選擇不同的調(diào)用不同的函數(shù)。Execute_Instruc（）部分為：

switch（*（u32*）instruc）

{

case 0x444c://LD指令Run_LD（）；//LD 處理break；

case 0x4e444c://LDN指令Run_LDN（）；break；

case 0x4e41://AN指令Run_AN（）；break；

……

不同的指令將調(diào)用不同的指令解釋函數(shù)進(jìn)行執(zhí)行，在執(zhí)行過(guò)程中，采用了堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句表功能。虛擬機(jī)使用一個(gè)16位全局變量Stack作為STM-PLC堆棧，堆棧操作采用STEP7的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，LD、OLD、ALD等指令將會(huì)對(duì)這個(gè)虛擬的堆棧進(jìn)行操作，在此過(guò)程中，更新相應(yīng)的虛擬輸出存儲(chǔ)寄存器。

4 結(jié) 論

本文在充分研究傳統(tǒng)PLC工作原理基礎(chǔ)上，采用微控制器STM32平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了嵌入式PLC的設(shè)計(jì)，在不改變傳統(tǒng)PLC優(yōu)點(diǎn)前提下，解決了傳統(tǒng)PLC某些場(chǎng)合成本過(guò)高、資源浪費(fèi)等缺陷。與傳統(tǒng)PLC相比較，嵌入式PLC不僅能支持梯形圖開(kāi)發(fā)，還可以支持與C語(yǔ)言混合開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)方式更靈活。同時(shí)，系統(tǒng)集成了通信功能，可以滿足不同的工業(yè)控制需求。

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