基于通用型MCU 的開源PLC 上下位機(jī)指令一致性研究

羅 驍 王庭有 張才勇

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張才勇設(shè)計搭建的小微型嵌入式PLC 以STM32MCU 為CPU的核心硬件，采用層疊式設(shè)計，由3 塊PCB 板疊加構(gòu)成。 頂層PCB 板為整個PLC 的核心板塊，集成MCU 芯片、EEPROM 芯片、485 通信接口和輸入輸出提示燈。 二層PCB 板為PLC 與控制對象的輸入輸出交流層，包含光耦輸入、繼電器輸入等外設(shè)元件。 底層PCB 板是PLC 的電源層，集成了交流轉(zhuǎn)直流的多個降壓模塊，可為PLC 和外接模塊供電。該小微型嵌入式PLC 的特點(diǎn)在于有極強(qiáng)的通用性和定制性，用戶可以根據(jù)自身需求的不同， 對PLC 的核心板進(jìn)行裁剪或添加外設(shè)，即可在不同控制情景下實現(xiàn)用途。

目前， 小微型PLC 具有較高的市場占有率，并以其較高的性價比逐漸替代傳統(tǒng)小型PLC 設(shè)備，相比于現(xiàn)有的整塊式PLC，開發(fā)層疊結(jié)構(gòu)的PLC 擴(kuò)展性更好、更靈活。 因此筆者對層疊結(jié)構(gòu)的小微型嵌入式PLC 上下位機(jī)指令一致性進(jìn)行研究，并設(shè)計實驗驗證指令的實現(xiàn)情況。

1 PLC 指令實現(xiàn)

1.1 編程語言的選擇

根據(jù)國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)IEC 1131-3，PLC 的編程語言包括以下5 種：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊圖語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）和結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）［1］。其中，指令表語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。 在無計算機(jī)的情況下，適合采用PLC 手持編程器對用戶程序進(jìn)行編制。 同時，指令表語言與梯形圖語言一一對應(yīng)，在PLC 編程軟件下可以相互轉(zhuǎn)換［2］。

由于其他編程語言編寫的控制程序最終都需要轉(zhuǎn)換為指令序列來執(zhí)行，并且利用指令表語言編寫的程序通?？梢砸宰罡咚俣冗\(yùn)行［3～5］，因此筆者選擇指令表語言作為PLC 編程軟件使用的編程語言。

1.2 指令實現(xiàn)

1.2.1 基本邏輯運(yùn)算

PLC 中最基本的運(yùn)算方式是邏輯運(yùn)算，基本邏輯運(yùn)算包含“與”、“或”、“非”3 種運(yùn)算，其余的邏輯運(yùn)算均以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)，因此首先要實現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算（圖1）。

1.2.2 邏輯堆棧

邏輯堆棧是PLC 在進(jìn)行邏輯運(yùn)算時用于存儲運(yùn)算結(jié)果和中間值的區(qū)域， 是PLC 運(yùn)行的基礎(chǔ)，一般采用整段連續(xù)的區(qū)域作為邏輯堆棧［6］。棧深關(guān)系到PLC 的運(yùn)算能力，將PLC 的邏輯堆棧棧深和指針定義如下：

圖1 基本邏輯運(yùn)算定義

上述代碼定義了邏輯堆棧的棧深為40，頂層作為運(yùn)算結(jié)果的存儲區(qū)， 余下39 層用于存儲運(yùn)算的中間值。 使用棧頂指針logical_array_pointer操作堆棧，當(dāng)有數(shù)據(jù)入棧時，丟棄底層數(shù)據(jù)，將堆棧內(nèi)容依次下移，騰空棧頂單元壓入數(shù)據(jù)；當(dāng)有數(shù)據(jù)出棧時，彈出頂層數(shù)據(jù)，將堆棧內(nèi)容依次上移，棧底單元補(bǔ)0。

定義邏輯堆棧后，需要PLC 來實現(xiàn)對堆棧的操作，因此要定義操作堆棧的指令，如圖2 所示。

圖2 部分堆棧操作指令定義

2 編程軟件與PLC 指令一致性

為了保證PLC 嚴(yán)格按照所編指令進(jìn)行工作，需要將PLC 能夠識別的數(shù)字編碼與編程軟件所用的操作碼和操作數(shù)一一對應(yīng)起來，表1 給出了部分操作碼和操作數(shù)對應(yīng)的編碼。 將表1 所示的操作碼（操作數(shù)）對應(yīng)的編碼寫入文件ins.m 中，并加入MATLAB，以保證編寫出的PLC 指令能夠正確編譯。

表1 部分操作碼和操作數(shù)對應(yīng)的編碼

PLC 要執(zhí)行指令， 首先需要識別指令函數(shù)，具體實現(xiàn)方法為：每當(dāng)執(zhí)行完任一指令后，指向用戶程序存儲區(qū)的指針會根據(jù)本條指令的占用內(nèi)存自動向下偏移m（m=1，3，6）個字節(jié)，以達(dá)到正確取址和執(zhí)行下一條指令的目的。 例如執(zhí)行只有操作碼的LPS 指令，執(zhí)行指令后指針向下偏移1 個字節(jié)， 繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。 若執(zhí)行OUT Q0 指令， 操作碼OUT 占1 個字節(jié)，Q0 占2 個字節(jié)，則執(zhí)行該指令后指針向下偏移3 個字節(jié)。 然后編寫ins_exc.c 文件，在其中定義用戶程序執(zhí)行函數(shù)user_pro_exc （）， 該函數(shù)的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 user_pro_exc（）函數(shù)執(zhí)行流程

如圖3 所示，執(zhí)行user_pro_exc（）函數(shù)時，首先判斷用戶程序存儲區(qū)內(nèi)是否有用戶程序，如果用戶程序指針user_pro_storage_p 指向的地址內(nèi)容為0，則說明沒有用戶程序，結(jié)束函數(shù)執(zhí)行；反之，如果不為0，則執(zhí)行construction（）函數(shù)，該函數(shù)的執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 construction（）函數(shù)執(zhí)行流程

如圖4 所示，開始執(zhí)行construction（）函數(shù)后，首先執(zhí)行選擇函數(shù)select（）對用戶程序中的指令進(jìn)行選擇，對于沒有操作數(shù)的指令，如LPS 指令等直接執(zhí)行后即結(jié)束該函數(shù)。 對于既有操作碼又有操作數(shù)的指令， 如LD I0 指令等進(jìn)一步匹配到sub_select（）函數(shù)后再執(zhí)行操作，sub_select（）函數(shù)能為這些指令提供I、Q、M、C、T 等操作數(shù)。

完成PLC 對函數(shù)指令的識別工作后，即可達(dá)到使PLC 正確執(zhí)行上位機(jī)用戶程序指令的目的。

使用MATLAB GUI 工具設(shè)計簡單的編程界面（圖5），實現(xiàn)PLC 程序的編程、編譯和下載功能。 該編程軟件界面左側(cè)為STL 指令編寫區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)編寫所需的用戶程序；右側(cè)是編譯提示區(qū)域， 當(dāng)指令編寫完成后點(diǎn)擊編譯按鈕，編譯提示區(qū)域會顯示編譯后的十六進(jìn)制數(shù)。

圖5 PLC 編程軟件界面

3 PLC 指令驗證實驗

設(shè)計實驗對PLC 的邏輯指令進(jìn)行驗證，實驗指令包括：觸點(diǎn)指令LD、A、O、LDN、AN、ON；邏輯堆棧指令A(yù)LD、OLD、LPS、LRD、LPP； 輸出指令OUT。

在PC 端的PLC 編程軟件中輸入指令表指令，編譯如圖6 所示。

圖6 PLC 指令

在4 個輸出端口上各連接一個LED，當(dāng)輸出端口得電時二極管發(fā)光，輸出端口不得電時二極管熄滅。

該實驗中設(shè)計多種接通方案， 具體如下：僅I0 或I3 得電時，Q3 得電，其余回路不接通。 I0 和I2 得電時，僅Q3 得電，其余回路不接通；若同時再接通I4、I5 或I6，則在Q3 保持燈亮的情況下，分別有Q0、Q1 或Q2 燈亮，說明串聯(lián)電路接通。I0和I3 得電時的情況與I0 和I2 得電情況一致。

通過實驗，觀察到如下現(xiàn)象：

a. 啟動PLC，按下I0，Q3 得電，對應(yīng)的LED點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅；斷開I0，按下I3，Q3得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅。

b. 接通I0 和I2 的同時，再按下I4，Q3 和Q0得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮；斷開I4，接通I5，Q3 和Q1 得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅；斷開I5，接通I6，Q3 和Q2 得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅。

c. 接通I0 和I3 的同時，再按下I4，Q3 和Q0得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮；斷開I4，接通I5，Q3 和Q1 得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅；斷開I5，接通I6，Q3 和Q2 得電，對應(yīng)的LED 點(diǎn)亮，其余LED 保持熄滅。

綜上所述，實驗結(jié)果與設(shè)計方案一致，說明使用筆者設(shè)計的指令表語言編程器編寫的用戶指令在下位機(jī)PLC 中得到了正確執(zhí)行。

4 結(jié)束語

筆者使用MATLAB 編寫出的PLC 指令表語言編程軟件能夠正確進(jìn)行指令的編譯，并且能夠在STM32MCU 的下位機(jī)PLC 上正確執(zhí)行， 說明上位機(jī)和下位機(jī)的指令具有一致性，是一個能實際應(yīng)用的編程軟件。