一種小型可編程控制器硬件設(shè)計與開發(fā)

摘 要 利用STM32單片機設(shè)計了一種雙層的小型可編程控制器，上層為核心控制層，下層為IO信號層，擁有很好的可擴展性。主要闡述了PLC中各模塊的設(shè)計思路，并給出了部分模塊的電路原理圖。

關(guān)鍵詞 可編程邏輯控制器 STM32 硬件設(shè)計

中圖分類號 TP274? ?文獻標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0268?07

可編程邏輯控制器（PLC）由于具有程序編寫容易、安全性高及通用性強等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中應(yīng)用非常普遍。但隨著社會的多樣化、自動化以及嵌入式技術(shù)的不斷進步，PLC兼容性差、計算能力不強等局限性逐漸顯露出來。同時，國內(nèi)的PLC市場一直被國外產(chǎn)品所壟斷，國內(nèi)PLC研究與國外的差距很大，國內(nèi)市場亟待具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型PLC的出現(xiàn)。近幾年，微控制器技術(shù)飛速發(fā)展，因此筆者針對上述問題，采用意法半導(dǎo)體公司的高性能芯片設(shè)計了一種小型可編程控制器，該控制器可以應(yīng)用在小規(guī)模的控制場景中。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者設(shè)計的PLC硬件系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是核心控制層和IO信號層。核心控制層集成有中央處理器最小系統(tǒng)電路、通信系統(tǒng)電路及用戶程序存儲電路等，主要用于嵌入式PLC程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理等。IO信號層集成有8路普通數(shù)字輸入電路、8路繼電器輸出電路、2路模擬量輸入電路、2路模擬量輸出電路、開關(guān)電源電路。PLC的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 核心控制層硬件設(shè)計

2.1 MCU模塊電路

MCU模塊電路包括MCU、時鐘電路、復(fù)位電路、SWD電路、BOOT啟動電路和與外部設(shè)備連接的電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計采用ARM開發(fā)的CORTEX?M4內(nèi)核32位芯片STM32F407ZGT6作為MCU，ARM CORTEX?M4擁有高速、高準(zhǔn)確度的數(shù)字量信號計算與控制能力［1］。該芯片的最高工作頻率可以達到168 MHz，支持DSP指令和FPU（浮點運算），擁有1 024 KB的Flash和192 KB的SRAM，支持1.8～3.6 V的電源和I/O口電壓，同時大部分I/O口耐壓可以達到5 V，而且能耗很低。

2.2 通信系統(tǒng)電路

本設(shè)計擁有一個以太網(wǎng)端口，用于嵌入式PLC與上位機進行通信，同時擁有一個RS485通信接口和一個CAN總線接口，用于與其他工控設(shè)備進行通信。

2.2.1 以太網(wǎng)通信接口電路

本設(shè)計選擇LAN8720作為以太網(wǎng)物理層的收發(fā)器。LAN8720符合IEEE 802.3—2005標(biāo)準(zhǔn)，功耗較低，支持通過標(biāo)準(zhǔn)RMII接口和以太網(wǎng)MAC進行通信。該芯片是一種全雙工收發(fā)器，支持10 Mb/s和100 Mb/s兩種工作模式，并且既可以直連也可以交叉連接。

以太網(wǎng)通信接口電路由LAN8720以太網(wǎng)收發(fā)器和RJ45接口組成。LAN8720以太網(wǎng)收發(fā)器通過MRII接口與STM32單片機相連，控制芯片的初始化和數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

2.2.2 RS485通信接口電路

RS485通信是一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)［2］，廣泛用于控制應(yīng)用和數(shù)據(jù)采集中。在本設(shè)計中，采用SSP3485芯片作為RS485通信的收發(fā)器。RS485通信接口電路如圖3所示。STM32單片機的串口2與SSP3485相連。其中STM32的PC10引腳連接SSP3485芯片的RO引腳，STM32的PC11引腳連接SSP3485芯片的DI引腳，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；STM32的PG8引腳連接SSP3485芯片的RE和DE引腳，用于控制SSP3485的狀態(tài)。

2.2.3 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路如圖4所示。CAN總線收發(fā)器選用華冠公司的HGA1050M/TR，CAN收發(fā)器的TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機的PD1和PD0相連接。CAN總線收發(fā)器將STM32單片機產(chǎn)生的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號到外部設(shè)備，并接收外部設(shè)備傳輸過來的差分信號，將其轉(zhuǎn)換成TTL電平信號后傳輸給STM32單片機。

2.3 用戶程序存儲電路

用戶程序存儲器用于存儲用戶程序，EEPROM存儲芯片中的數(shù)據(jù)可以在斷電時予以保留，正適合儲存PLC的用戶程序。本系統(tǒng)中，EEPROM采用AT24C128芯片，AT24C128芯片擁有128 KB的存儲容量，支持I2C串行總線，并且數(shù)據(jù)的傳輸僅需兩條線（一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線）就可以完成用戶程序的讀寫，大幅降低了系統(tǒng)硬件設(shè)計的難度和成本。

3 IO信號層硬件設(shè)計

3.1 數(shù)字量輸入電路

本設(shè)計擁有12路獨立的數(shù)字量輸入端口，其中有8路普通數(shù)字量輸入端口和4路高速數(shù)字量輸入端口。

3.1.1 普通數(shù)字量輸入端口

普通數(shù)字量輸入端口可以向PLC輸送開關(guān)量信號，包括繼電器、限位開關(guān)、按鍵或光電接近開關(guān)等的開關(guān)狀態(tài)。STM32芯片引腳的輸入電壓范圍是2.0～3.6 V，而PLC的輸入信號一般為0～24 V直流電壓。所以每路普通數(shù)字量輸入端口都采用PC817光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離，防止外部環(huán)境對嵌入式PLC的干擾，保持系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠。光電耦合器是一種基于內(nèi)光電效應(yīng)原理所制成的電氣隔離元件，它由發(fā)光元件和光敏電阻封裝在一起構(gòu)成。當(dāng)輸入端有輸入信號時，發(fā)光元件會產(chǎn)生光信號，并射到感光電阻上產(chǎn)生電流，再通過光耦的輸出端子輸出，從而實現(xiàn)光電信號的隔離［3］。

圖6為一路普通數(shù)字量輸入電路，圖中電阻R35和電容C13組成一階濾波電路，可以過濾掉輸入信號中的高頻干擾信號，二極管D1可以防止PC817光耦被反向擊穿，保護電路的正常運行。

COM0端口為輸入I0.0～I0.7的公共端，連接電壓+24 V，I0.0接外部開關(guān)量元件，外部開關(guān)量元件的另一端連接0 V電壓。

當(dāng)外部開關(guān)器件閉合時，電流從COM0端流入，流經(jīng)PC817光耦，從I0.0流出，形成一個閉合回路，PC817光耦的3、4號引腳導(dǎo)通，IN0.0連接的STM32單片機信號輸入引腳的電平為低，當(dāng)嵌入式PLC掃描該路信號時，將該路輸入信號所對應(yīng)的輸入映像寄存器的值置1。相反，當(dāng)外部開關(guān)器件斷開時，IN0.0連接的STM32單片機信號輸入引腳的電平為高，當(dāng)嵌入式PLC掃描該路信號時，將該路輸入信號所對應(yīng)的輸入映像寄存器的值置0。

3.1.2 高速數(shù)字量輸入端口

高速數(shù)字量輸入端口可以向PLC輸入高速脈沖計數(shù)信號，圖7為高速數(shù)字量輸入電路。采用6N137高速光耦進行光電隔離，該光耦的最大傳輸速度可達10 Mb/s。COM1端口為I1.0～I1.3的公共端，連接電壓+24 V，I1.0連接外部設(shè)備，IN1.0連接STM32單片機擁有定時器復(fù)用功能的引腳。

3.2 數(shù)字量輸出電路

PLC的輸出端口有繼電器輸出、晶體管輸出及晶閘管輸出等多種類型［4］。繼電器既可輸出直流電也可輸出交流電，晶體管只能輸出單向直流電［5］。本設(shè)計有12路獨立的數(shù)字量輸出端口，包括8路繼電器輸出端口和4路高速晶體管輸出端口。

3.2.1 繼電器輸出端口

繼電器的輸出信號通常用于控制接觸器、指示燈及電磁閥等開關(guān)量器件，其本質(zhì)上是由PLC內(nèi)部的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成繼電器觸點的開合狀態(tài)，因此繼電器既可以驅(qū)動直流負載也可以驅(qū)動交流負載。

圖8為繼電器輸出電路。繼電器輸出電路也采用PC817光耦實現(xiàn)電氣隔離，并通過三極管驅(qū)動繼電器，圖8中二極管D3可以保護三極管不會被反向電勢擊穿。

COM2為輸出Q0.0～Q0.7的公共端，OUT0.1連接STM32單片機輸出引腳。當(dāng)該輸出端口對應(yīng)嵌入式PLC的輸出映像寄存器為1時，OUT0.0引腳變成低電平，PC817光耦的3、4號引腳之間短路，使三極管的集電極c極和發(fā)射極e極之間導(dǎo)通，繼電器G5NB?1A得電，并形成磁性，常開觸點變成閉合形態(tài)；當(dāng)該輸出端口對應(yīng)嵌入式PLC的輸出映像寄存器為0時，OUT0.0引腳變成高電平，PC817光耦的3、4號引腳斷開，使三極管的c極和e極斷開，繼電器的線圈斷電，常開觸點斷開。

3.2.2 高速晶體管輸出端口

高速晶體管輸出端口可以向外部設(shè)備輸出PWM脈沖信號，圖9為高速晶體管輸出電路。該電路同樣通過6N137高速光耦實現(xiàn)光電隔離，并采用PNP三極管進行驅(qū)動，二極管D2可以防止三極管被反向電壓擊穿。OUT1.0連接STM32單片機PWM輸出引腳，Q1.0接外部負載，COM3為Q1.0～Q1.3的公共端。

3.3 模擬量電路

在生產(chǎn)控制過程中，特別是在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，需要對溫度、電壓、電流、壓力及流量等連續(xù)信號進行控制，這就需要PLC有模擬量控制的功能。STM32F4系列單片機擁有多個獨立的AD/DA轉(zhuǎn)換模塊，在本設(shè)計中，設(shè)計有兩路模擬量信號輸入電路和兩路模擬量信號輸出電路。其中，模擬量信號輸入電路可以直接輸入0～10 V模擬量電壓信號，模擬量信號輸出電路可以直接輸出0～10 V模擬量電壓信號。

3.3.1 模擬量輸入電路

圖10為模擬量輸入電路，ADC1連接外部元器件，如溫度、速度、壓力及流量等信號的測量裝置，ADC_IN1連接STM32芯片的模擬量信號輸入引腳。本設(shè)計采用LM358DR2G雙運算放大器，將0～10 V模擬量輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成0～3.3 V模擬量電壓信號，并起到了一定的隔離作用。

3.3.2 模擬量輸出電路

圖11為模擬量輸出電路，DAC1連接外部元器件，可以通過外部元器件控制壓力、溫度、流量、電流及電壓等模擬量信號，DAC_OUT1連接STM32單片機的模擬量輸出引腳。模擬量輸出電路同樣采用LM358DR2G雙運算放大器，通過運算放大器把STM32單片機輸出的0～3.3 V模擬量電壓轉(zhuǎn)換成0～10 V模擬量輸出電壓。

4 PCB圖及實物電路板

將上述各部分的硬件原理圖組合起來，繪制出PCB圖（圖12）。然后根據(jù)PCB圖打印并貼片，制作出相應(yīng)的電路板，如圖13所示。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于STM32的小型可編程邏輯控制器的硬件部分，主要包括核心控制層和IO信號層，這兩層只需要連接正確的接口就可以單獨使用，具有良好的靈活性和可擴展性。所設(shè)計的可編程邏輯控制器擁有多種通信模塊，并集成了數(shù)字量控制、模擬量控制等電路，可以滿足工業(yè)控制場景中大多數(shù)的簡單控制需求，對國產(chǎn)PLC的研發(fā)具有一定參考價值。

參 考 文 獻

［1］ 廖一奎.ARM Cortex?M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解——基于STM32F4［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

［2］ 石進水.基于嵌入式系統(tǒng)的PLC的研究與設(shè)計［D］.青島：山東科技大學(xué)，2008.

［3］ 胡云，王濤，蔣亞東.高壓線性光電耦合器的研制［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2007，36（4）：778-780；804.

［4］ 任偉.嵌入式PLC編程裝置的系統(tǒng)設(shè)計［D］.桂林：桂林電子科技大學(xué)，2010.

［5］ 王庭有.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

（收稿日期：2022-06-03，修回日期：2023-01-06）

作者簡介：劉青林（1997-），碩士研究生，從事復(fù)雜機電系統(tǒng)集成與控制的研究，chnliuqinglin@163.com。

引用本文：劉青林.一種小型可編程控制器硬件設(shè)計與開發(fā)［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：268-274.