基于嵌入式PLC芯片组多路模拟量PLC开发

时间：2007-04-29

如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足更加细分化的市场需求，为了满足这种需求，出现了嵌入式PLC产品。　　
一、嵌入式PLC 　　

嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组　　
1、嵌入式PLC系统软件　　

嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。　　
该系统软件具有以下特点:1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作;2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能;3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线;4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。　　
系统软件包括三个部分。　　
①嵌入式PLC内核：　它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；　　
②二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；　　
③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序　　
2、嵌入式PLC芯片组　　
EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和专用PLC。　　
1）芯片组基本性能：　　
①供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。　　
②CPU： C8051F040。　　
③嵌入扩展能力　　
·32 I/O：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。　　
·4 AD： 12位，100 KPS。　　
·2 DA： 12位，100 KPS。　　
④ 通信接口　　
·CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。　　
·UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序。　　
·UART1：系统软件管理，用于CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。　　
二、应用开发　　

基于加载了系统软件的芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。　　
1、硬件设计　　
硬件整体结构图如下：　　
AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。　　　　
（1）信号采集电路　　
用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV/℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。　　　　
（2）信号选择电路　　
选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即个AD转换通道。　　　　 2、软件开发　　
嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。　　
内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。【1】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。　　

（1）程序规划　　
T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序　　
USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。　　
AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。　　
PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。　　
（2）程序代码　　

3、驱动程序的嵌入　　
在KEIL C51中编译上述程序。使用工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。　　
三、功能介绍　　
基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：1、采集工业现场的多路热电偶信号，2、支持三菱、台达等多家人机界面， 3、支持梯形图编程（86条指令）， 4、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。　　
嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度可达±1℃。　　
下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。　　　　
四、结束语　　
笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明，本着软硬件可裁剪的原则，开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，节约了硬件成本、缩短了研发周期，并且得到了许多强大的功能，相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。　　　　
参考文献：　　
1. 黄石科威自控有限公司《嵌入式PLC原理与应用》　　
2. 沈阳新华龙有限公司《C8051F040数据手册》　　
3. 黄石科威自控有限公司《EASY编程手册》　　
4．《KEIL C51开发环境使用手册》
5.PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
6. C8051F040 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F040_209840.html.
7.RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
8.OP07 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/OP07_950754.html.

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