基于嵌入式PLC芯片组的多路模拟量PLC的开发

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、专家自整定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系统软件的核心芯片组，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。
② CPU： C8051F040。
③ 嵌入扩展能力
*32 IO：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
*4 AD： 12位精度，100 KPS。
*2 DA： 12位精度，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下载。
*UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。

2）芯片组原理框图
　　　　　　　　　　　

图1 芯片组原理框图

二、应用开发

　　基于加载了系统软件的核心芯片组，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：

　　　　　　　　　　　　图2 硬件整体结构图

　　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＋R98R56）。
　　　　　　

　　　　　　　　　　　图3 模拟信号放大电路

　　（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，即第一个AD转换通道。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　图4 信号选择电路图

　　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。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
　　INIT_AD ;AD初始化
　　MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE
　　MOV REF0CN, #07H ;内部参考电压输出到VERF;启动内部温度传感器
　　MOV AMX0CF, #00H ;单极性输入
　　MOV ADC0CF, #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1
　　;采样转换时钟=1US
　　;D2--D0=GAIN
　　;000 GAIN=1
　　MOV ADC0CN, #90H ;启动AD采样
　　MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
　　MOV AD_COUNT, #00H ;16次采样次数计数。初值为0
　　RET
　　SAMPLE_AD ;AD采样开始
　　MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
　　MOV A, AD_CHANNEL ;采样值的累加和是一个字基地址为#XAI,偏移地址　　　　　　为AD_CHANNEL
　　RL A
　　MOV DPTR, #XAI ;XAI存放16次采样值的累加和
　　ADD A, DPL ;低字节相加
　　MOV DPL, A
　　MOVX A, @DPTR
　　MOV B, A
　　MOV A, ADC0L
　　CLR C
　　ADDC A, B
　　MOVX @DPTR, A
　　INC DPTR ;高字节相加
　　MOVX A, @DPTR
　　MOV B, A
　　MOV A, ADC0H
　　ANL A, #0FH
　　ADDC A, B
　　MOVX @DPTR, A ;#XAI中存放格式为低字节、高字节
　　MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
　　MOV ADC0CN, #090H ;启动下次AD采样

　　INC AD_COUNT
　　MOV A, AD_COUNT
　　CLR C
　　SUBB A, #16
　　JNC FILL_XAI_XAD ;当16次采样完成后,把XAI中16个采样和（2字节）存放到XAD RET

　　3、驱动程序的嵌入

　　在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载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，使受控温度精度可达±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。

　　　　　图5 基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点梯形图

　　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。