基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設(shè)計(jì)

四十多年來，PLC已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的中堅(jiān)力量。它的功能不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)于工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展所發(fā)揮的作用無可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主導(dǎo)了工控行業(yè)數(shù)十年。PLC雖然有著它固有的優(yōu)勢(shì)，但面對(duì)客戶需求的不斷變化，PLC要想生存，就必須突破傳統(tǒng)模式，積極求新求變以適應(yīng)新的市場(chǎng)發(fā)展。而具有低成本優(yōu)勢(shì)的嵌入式PLC，正好能夠滿足這一需求。所謂嵌入式PLC是指采用SoC嵌入式片上系統(tǒng)芯片和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC功能，并能用IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)編程語言編程的PLC.隨著高性能的ARM嵌入式微處理器的發(fā)展，筆者設(shè)計(jì)了新一代微型嵌入式PLC.本文介紹了嵌入式PLC的體系結(jié)構(gòu)，包含其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。

1嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1微控制器芯片的選取

CPU是PLC的核心，它能夠識(shí)別用戶按照特定的格式輸入的各種指令，并按照指令的規(guī)定，根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)的狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成預(yù)定的控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)選用的是Philips公司生產(chǎn)的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU芯片，它帶有256kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，16kB片內(nèi)SRAM.LPC2294采用144腳封裝、具有極低的功耗以及多達(dá)112個(gè)通用I/O口，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，最大為60MHz的工作晶振，多個(gè)32位定時(shí)器，PWM單元，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44μs的8通道10位ADC、4路高級(jí)CAN接口，另外具有2路UART（16C550），高速I2 C（400kbit/s）及2路SPI總線。LPC2294豐富的硬件資源和完善的功能使這款微控制器特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線等場(chǎng)合。

1.2硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以ARM芯片LPC2294為CPU，設(shè)計(jì)為14路PNP型輸入、10路繼電器輸出的基本模式。硬件總體結(jié)構(gòu)包括：

電源及復(fù)位模塊、ARM微控制器、Flash存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS485接口及CAN接口通信模塊等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1開關(guān)量輸入輸出接口電路

圖2所示為一路開關(guān)量輸入圖。此部分電路前端為R、C組成的一階濾波電路，防止外部干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)中。輸入端外接的輸入控制開關(guān)信號(hào)（直流24V）通過輸入點(diǎn)10.0經(jīng)限流電阻輸入到光電耦合器（PC816）的輸入端，M為輸入點(diǎn)10.0~10.7的公共輸入端。因P0.23口被設(shè)置為輸入模式且口線內(nèi)部無上拉電阻，所以需要外接上拉電阻，防止口線懸空。當(dāng)10.0輸入端為24V時(shí)，光電耦合器中的光敏二極管導(dǎo)通，光敏晶體管輸出端被拉為低電平，指示該路輸入狀態(tài)的LED被點(diǎn)亮，P0.23被置為低電平。當(dāng)CPU訪問該路信號(hào)時(shí)，將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器的值置為1.10.0輸入端為0V時(shí)，P0.23為高電平，當(dāng)CPU訪問該路信號(hào)時(shí)，則將該輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入過程映像寄存器的值置為0.其余各個(gè)輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電路及工作原理均相同。

圖3所示為繼電器輸出模塊圖，圖中并聯(lián)在繼電器線圈兩端的二極管這里起續(xù)流作用。該模塊的工作原理如下：當(dāng)內(nèi)部輸出過程映像寄存器為1時(shí)，LPC2294端口P1.16輸出0，光敏晶體管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，輸出點(diǎn)接通；反之當(dāng)內(nèi)部輸出過程映像寄存器為0時(shí)，端口P1.16輸出1，繼電器線圈失電，輸出點(diǎn)斷開。

需要注意的是，當(dāng)LPC2294的GPIO口初上電時(shí)，其輸出端口（如本圖中的P1.16）的電壓不穩(wěn)定，這樣易導(dǎo)致外部繼電器誤動(dòng)作而引起外部設(shè)備工作不穩(wěn)定。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖4電路用來提高繼電器輸出的穩(wěn)定性。

這是一個(gè)由NE555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)電路，其中VCC5.0D端接圖3中光電耦合器的集電極。其工作原理為：系統(tǒng)上電初始，2、6管腳電平不能突變，保持為低電平。分析NE555的內(nèi)部電路可知，此時(shí)輸出端3管腳輸出高電平，電路開始對(duì)R、C電路進(jìn)行充電，隨著時(shí)間的推移，管腳2、6的電平不斷升高，當(dāng)升至23VCC時(shí)，輸出端3管腳將翻轉(zhuǎn)至低電平，使三極管導(dǎo)通，VCC5.0D輸出5V.這樣，系統(tǒng)上電后經(jīng)過一段時(shí)間，I/O口的電平穩(wěn)定下來之后，光電耦合器才得電開始工作。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間tW取決于外接電阻R和電容C的大小。tW等于電容電壓在充電過程中從0上升到23VCC所需要的時(shí)間，即

1.2.2模擬量輸入電路設(shè)計(jì)

先通過電阻R66，將現(xiàn)場(chǎng)傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5V電壓信號(hào)進(jìn)行采集?？紤]到抗干擾及對(duì)微處理器電路的保護(hù)，在轉(zhuǎn)換電路的輸出端加了線性光耦HCNR201.硬件電路如圖5所示。

1.2.3串行通訊接口電路設(shè)計(jì)

為了能與其它工業(yè)控制產(chǎn)品兼容，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用了RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)。為了將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485電平，選用了SP485E收發(fā)器。SP485E芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)10Mbps，其最大的特點(diǎn)是在為發(fā)送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護(hù)電路。接口電路如圖6所示。