面向應(yīng)用層嵌入的PLC模塊設(shè)計(jì)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 吳豪樂 許錦標(biāo)

1 引言

傳統(tǒng)的PLC采用梯形圖和語句表來使得編程簡便，具有系統(tǒng)軟件開發(fā)周期短以及現(xiàn)場調(diào)試程序等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)PLC還存在不能兼容支持I2C、SPI這一類的通訊接口和成本比較高的不足。

針對(duì)以上傳統(tǒng)PLC的不足，本文以STM32系列芯片構(gòu)建PLC模塊硬件系統(tǒng)電路和對(duì)軟件模塊設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)出嵌入式PLC模塊。采用了模塊化設(shè)計(jì)的PLC具有體積小、成本低以及能夠?qū)崿F(xiàn)訪問I2C設(shè)備的功能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還是采用梯形圖的傳統(tǒng)開發(fā)方式，為工程師開發(fā)項(xiàng)目提供了一個(gè)新的選擇。

2 面向應(yīng)用層的軟PLC模塊硬件設(shè)計(jì)

通過分析傳統(tǒng)PLC的工作原理和硬件功能，來設(shè)計(jì)PLC模塊的硬件系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)主要組成包括STM32 最小系統(tǒng)、掉電檢測電路、通訊電路、輸入輸出電路以及增加新的I2C通訊接口電路，如圖2.1所示。

圖2.1 嵌入式PLC模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 面向應(yīng)用層的軟PLC模塊軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)將對(duì)嵌入式PLC模塊的軟件部分按實(shí)現(xiàn)的功能劃分來進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如PLC程序的執(zhí)行、I2C總線通訊以及指令解釋執(zhí)行，限于篇幅本小節(jié)主要講述PLC系統(tǒng)主函數(shù)流程、系統(tǒng)中斷處理模塊和指令解釋模塊。

3.1 系統(tǒng)主函數(shù)流程

系統(tǒng)的主函數(shù)主要完成的任務(wù)是對(duì)程序進(jìn)行了一個(gè)模塊劃分，執(zhí)行的過程是一個(gè)有序循環(huán)掃描的過程，以PLC指令解析函數(shù)解析并跳轉(zhuǎn)到處理函數(shù)來處理接收到的數(shù)據(jù)。如圖3.1所示。

圖3.1 系統(tǒng)主函數(shù)流程圖

3.2 中斷處理模塊

系統(tǒng)中斷可以分為：串口接收中斷、定時(shí)器中斷、I2C通訊處理中斷和外部掉電檢測中斷，考慮到后期中斷處理隨著數(shù)據(jù)量的增多，如果定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于串口中斷，串口接收中斷會(huì)出現(xiàn)掉包現(xiàn)象，所以將串口處理中斷設(shè)置為高于定時(shí)器中斷，具體中斷優(yōu)先級(jí)如圖3.2和圖3.3所示。

圖3.2 前期系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)

圖3.3 后期調(diào)試系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)

3.3 指令解釋模塊

根據(jù)三菱PLC指令占用的字節(jié)數(shù)特點(diǎn)，可以將其分為單字指令、雙字指令和多字指令。

3.3.1 單字節(jié)指令

單字指令用最高四位代表指令，其它位來表示軟元件位置信息。例如在PLC程序中：“LD X0” ；其指令碼為2400H，在C語言中400H表示X0的地址信息，轉(zhuǎn)換成存放X0數(shù)組的索引值，之后再讀出這個(gè)值并將其存放在系統(tǒng)的全局變量中。

3.3.2 雙字指令

雙字指令雖然有與單字指令相同的部分，但是由于地址上訪問不到，所以需要增加指令字節(jié)長度來訪問地址，例如：“OUT S0”。指令碼為 0005H 8000H；其中，0005 代表OUT 指令，8000H+n 代表 Sn 的地址。

3.3.3 多字指令

多字指令的作用是幫助對(duì)一些16位的軟元件完成數(shù)據(jù)的傳輸，例如：“OUT T0 K10”。

指令碼為0600H 800AH 8000H；其中，600H為 T0 在三菱FX2N 內(nèi)部的地址，指令含義為當(dāng) T0 計(jì)數(shù) 1000Ms 后， T0 輸出線圈閉合。

4 結(jié)束語

在分析傳統(tǒng)PLC工作原理的基礎(chǔ)上，本文通過以STM32F103ZET6的芯片作為中央處理器設(shè)計(jì)出一款嵌入式軟PLC模塊。其中該模塊本文是將其進(jìn)行硬件和軟件模塊化設(shè)計(jì)的，針對(duì)傳統(tǒng)PLC的不足，該模塊增加了支持I2C從設(shè)備的功能；同時(shí)該模塊還具有沒有改變?cè)刑菪螆D開發(fā)模式和該嵌入式軟PLC模塊成本較傳統(tǒng)PLC成本低的優(yōu)點(diǎn)，為未來某些控制領(lǐng)域提供了新的控制器的選擇。

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