基于MCU的可編程工業(yè)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了一款新型高集成的可編程工業(yè)控制器ACON的設(shè)計(jì)、開發(fā)和性能評估?？刂破麽槍ζ髽I(yè)在工業(yè)自動化升級中的需求，采用ATMEGA2560-16AU微控制器作為核心，實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本和豐富的接口設(shè)計(jì)?？刂破骶邆錅y量電壓電流、支持多種通信接口及定制化接口的能力，旨在提高生產(chǎn)效率并降低成本。通過嚴(yán)格測試，ACON在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性方面表現(xiàn)出色。因此，ACON開發(fā)設(shè)計(jì)不僅滿足了當(dāng)前工業(yè)自動化的需求，也為未來智能制造的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制器；ATMEGA2560-16AU；新型面板設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目介紹

（一）項(xiàng)目來源

項(xiàng)目來自于企業(yè)需求，由工程部門定制，安裝在測試工位上，用于工業(yè)設(shè)備控制?？蛻艨梢詫⒖刂浦噶罹帉懗绦蜉d入控制器進(jìn)行儲存和執(zhí)行，用于控制產(chǎn)線電磁閥、直流電機(jī)、傳感器，并且可以測量電壓電流，是一款具有成本效益、高集成度、豐富接口和緊湊型設(shè)計(jì)的定制化工業(yè)控制器，滿足了企業(yè)設(shè)備測試需求并提高生產(chǎn)效率。

（二）研究現(xiàn)狀

在當(dāng)前的工業(yè)自動化領(lǐng)域，可編程邏輯控制器（PLC）由于其穩(wěn)定性和靈活性，一直是工業(yè)控制系統(tǒng)的核心器件。然而，其高昂的成本和復(fù)雜性常常使中小企業(yè)在自動化升級過程中望而卻步。針對這一現(xiàn)狀，研究人員和企業(yè)正致力于開發(fā)新型的高集成度、低成本的可編程工業(yè)控制器，以期在保持性能的同時(shí)降低成本，擴(kuò)大工業(yè)自動化的覆蓋范圍。隨著智能制造戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，工業(yè)自動化需求日益增長。目前，研究人員正在努力突破傳統(tǒng)技術(shù)，通過集成創(chuàng)新和協(xié)同研發(fā)，推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本可編程工業(yè)控制器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品能根據(jù)企業(yè)需求進(jìn)行定制，功能上匹配中小型企業(yè)對工業(yè)自動化的需求，并且在成本和體積上具有明顯優(yōu)勢。

（三）研究目標(biāo)

本設(shè)計(jì)是一種新型多功能高集成的可編程控制器ACON（下文簡稱ACON），為企業(yè)定制版本，相比市場其他工業(yè)控制器，具有小型化、低成本、定制化接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)目標(biāo)包含：

1.CPU：ATMEGA2560-16AU，基于該微控制器開發(fā)，降低成本。

2.開發(fā)便捷：使用ATMEL開發(fā)環(huán)境，提供庫文件以供調(diào)用。

3.接口數(shù)量和類型：有源觸點(diǎn)（24/12/5/3.3V），無源觸點(diǎn)6個(gè)，GPIO接口19個(gè)，光電傳感接口（24V DC），IIC接口，串口（COM port），2個(gè)外部中斷。

4.定制接口：可通斷的TypeC和USB3.0接口。

5.電壓電流檢測：可以測0-60V電壓，多量程測量。

6.面板設(shè)計(jì)：電壓觸點(diǎn)都有LED指示燈，緊湊型外觀設(shè)計(jì)，安裝簡便。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）研究思路和系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)目研究思路如下：首先，對工業(yè)控制器ACON的企業(yè)需求和應(yīng)用場景進(jìn)行分析，明確其功能和性能要求。其次，設(shè)計(jì)ACON硬件和軟件架構(gòu)，并對其進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。再次，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證ACON的功能和性能，并對存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。最后，完成設(shè)計(jì)、打樣、驗(yàn)證和批量供貨工作。該系統(tǒng)的核心是基于單片機(jī)的MCU模塊，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制算法、數(shù)據(jù)處理和通信功能。MCU模塊通過各種接口與外部設(shè)備進(jìn)行連接，包括傳感器、電磁閥和用戶接口面板。在硬件方面，系統(tǒng)包括電源模塊、輸入輸出模塊和面板接口模塊。電源模塊采用DC24V，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。輸入/輸出模塊用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括有源無源觸點(diǎn)、傳感器檢測、電壓電流檢測等。面板接口模塊有可通斷的Type-C、USB3.0接口等，可連接電腦，并提供VCP（虛擬串口）接口用于與上位機(jī)或編程工具進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的通信。

在軟件方面，上位機(jī)使用開發(fā)工具和編程語言編寫控制算法和實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議。通過編程，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、控制決策等功能。

（二）需求分析

傳統(tǒng)的基于MCU工業(yè)控制器應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)線存在一些問題，例如IO接口數(shù)量有限、接口種類也不齊全、無法提供TypeC及USB3.0等新型接口、面板功能設(shè)計(jì)老舊、做工粗糙、觸點(diǎn)無LED顯示。本設(shè)計(jì)是一款結(jié)構(gòu)更簡單，成本低，可以實(shí)現(xiàn)高集成度和可靠性，擴(kuò)展I/O接口的工業(yè)控制器。除了接口類型和數(shù)量按企業(yè)要求定制外，控制器結(jié)構(gòu)尺寸按要求與企業(yè)生產(chǎn)線工位空間實(shí)現(xiàn)匹配，使工程師簡單搭建便能實(shí)現(xiàn)指定測試。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）MCU選擇與配置

本設(shè)計(jì)選擇ATMEGA2560-16AU作為主控芯片，主控芯片是一款由ATMEL公司開發(fā)的AVR系列的8位微控制器。它基于先進(jìn)的RISC架構(gòu)，擁有16MHz的主頻，集成了豐富的外設(shè)和功能模塊，使其成為理想的控制器選擇。ATMEGA2560-16AU內(nèi)部集成了多個(gè)串口（USART）模塊，使其與其他設(shè)備進(jìn)行可靠的通信變得便捷。此外，它還具備16個(gè)通用輸入輸出引腳（GPIO），可以通過編程實(shí)現(xiàn)不同的輸入和輸出功能，使ACON工業(yè)控制器能夠連接多個(gè)外部設(shè)備和傳感器，實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)交換和控制操作。根據(jù)ACON工業(yè)控制器需求，配置了ATMEGA2560-16AU的引腳功能和外設(shè)模塊，以實(shí)現(xiàn)所需功能。通過使用ATMEL開發(fā)環(huán)境，可以利用該芯片的庫文件，簡化開發(fā)過程，提高開發(fā)效率。

（二）各功能模塊的設(shè)計(jì)

它是一種基于單片機(jī)（MCU）高集成可編程工業(yè)控制器，用戶可以通過編程邏輯，檢測和讀取設(shè)備輸入信號、輸出電源電壓或信號被控設(shè)備，從而控制被控設(shè)備，本質(zhì)是一臺提供了大量I/O擴(kuò)展接口的可以編程控制輸出的微型計(jì)算機(jī)。本設(shè)計(jì)根據(jù)客戶需求，不僅提供了常規(guī)的接口模塊，還提供了客戶定制需求模塊，如熱敏電阻測試、TypeC接口。

下面分別介紹部分功能模塊：測量電壓的ADC接口、熱敏電阻測試模塊、緊急按鈕模塊、繼電器開關(guān)值輸出接口。

1.ADC接口測量輸入電壓

ADC0電阻分壓電路原理如圖1所示。

ADC0-ADC15共有15個(gè)測量電壓的接口，接口分壓電路會將電壓經(jīng)分壓，分成4.793—4.782V不等的電壓，通過主機(jī)CPU進(jìn)行分析和判斷輸入電壓的實(shí)際值。

2.熱敏電阻模塊

提供NTC1和NTC2接口測量熱敏電阻值，左邊的VR1-VR3可以提供調(diào)節(jié)參考電壓范圍，右邊的VR1-VR3是測試接口，如圖2所示。

3.緊急按鈕模塊

將P4端連接到緊急按鈕開關(guān)上，當(dāng)不按緊急按鈕（按鈕本身短路）時(shí)，P4會變低電平；當(dāng)按緊急按鈕時(shí)，P4會轉(zhuǎn)高電平（按鈕打開），然后被拉到較高的電平。

該案例可以觸發(fā)其他連接設(shè)備的執(zhí)行操作緊急停止，例如使用P35作為GPIO的輸出端控制電磁閥的通斷。編程代碼如下：

{

Urgent_status = 1;

digitalWrite（35， HIGH）;" " " " " " " " " "http://P35 cylinder moved up

Serial.println（\"Press urgent BTN\"）;

}

4.6組繼電器開關(guān)值

ACON提供6組繼電器開關(guān)值，每組為NC/COM/NO三個(gè)接口，當(dāng)ACON啟動或復(fù)位時(shí)，COM將與NC連通，與NO斷開。當(dāng)發(fā)送命令PXXH時(shí)，COM將與NC斷開，而與NO連接在一起，通常繼電器開關(guān)電磁值為（DC 12/24V）。

（三）面板接口設(shè)計(jì)

1.正面接口面板的設(shè)計(jì)

通過控制器正面圖（如圖3所示），位于下面的1-54接口稱為JP2連接器，位于上方的1-54接口稱為JP1連接器，面板上做了鏡像對稱處理，這個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)是為了工位的前后兩側(cè)操作人員都能直接讀到接口數(shù)字，而不需要刻意繞到另一側(cè)讀取。

面板左側(cè)的“DC24V”是總開關(guān)，按鈕被按下，設(shè)備被啟用。面板下方按鈕“RUN”被按下，設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)按鈕彈起“PROG”，處于聯(lián)機(jī)更新軟件狀態(tài)，設(shè)備可以和電腦相連接，下載程序時(shí)FW固件軟件。

2.側(cè)面擋板的設(shè)計(jì)

左側(cè)產(chǎn)品擋板上根據(jù)客戶需求定制了兩個(gè)USB接口，還有兩個(gè)TypeC接口。

右側(cè)電源擋板上是直流24V的電源接口，Reset重啟按鈕，以及可以連電腦的VCP接口，與上位機(jī)或編程工具連接。

四、性能評估與討論

（一）性能評估

在性能評估階段，對ACON工業(yè)控制器進(jìn)行了測試，確保其在應(yīng)用中的可靠性和效率。首先，進(jìn)行長達(dá)15天的運(yùn)行測試，以驗(yàn)證控制器在連續(xù)工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，ACON在連續(xù)運(yùn)行360小時(shí)后，系統(tǒng)性能保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何故障或性能下降的跡象，表明ACON具有熱管理和電源管理能力。其次，對ACON的響應(yīng)速度進(jìn)行了評估。通過模擬產(chǎn)線中的設(shè)備布置場景，測量了控制器從接收輸入信號到執(zhí)行相應(yīng)動作的時(shí)間。測試結(jié)果表明，ACON的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級別，滿足了高速生產(chǎn)線的需求。

（二）討論

盡管ACON在性能評估中表現(xiàn)出色，但仍有改進(jìn)空間。在高負(fù)載情況下，控制器的散熱性能有待提升。為此，計(jì)劃增加散熱片和優(yōu)化散熱通道設(shè)計(jì)，以提高散熱效率，確保在高負(fù)載工況下控制器的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)劃為ACON集成更多的通信協(xié)議，如工業(yè)以太網(wǎng)和無線通信，以適應(yīng)未來智能制造需求。

五、結(jié)束語

本文介紹了ACON工業(yè)控制器的設(shè)計(jì)和性能評估過程，ACON實(shí)現(xiàn)了小型化、低成本和豐富的接口設(shè)計(jì)，同時(shí)具備了測量電壓電流、支持多種通信接口和定制化接口的能力。在性能評估部分，通過測試驗(yàn)證了ACON在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性方面的優(yōu)秀表現(xiàn)。這些測試結(jié)果不僅證明了ACON在實(shí)際工況下的可靠性，也為產(chǎn)品改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。在改進(jìn)討論中，基于用戶反饋和性能測試，提出了針對散熱性能以及通信協(xié)議集成的改進(jìn)措施，將進(jìn)一步提升ACON的市場競爭力。綜上所述，ACON工業(yè)控制器的研發(fā)成功解決了企業(yè)在自動化升級過程中面臨的成本和技術(shù)難題，展示了其在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

作者單位：過夢旦 蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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