可編程邏輯控制器(PLC)，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的PLC面臨著IO點數(shù)增多、通訊功能需要增強(qiáng)等諸多方面的挑戰(zhàn)，已無法滿足個性化、差異化的需求。
現(xiàn)有的設(shè)計主要有工控機(jī)、單片機(jī)板等。工控機(jī)在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢明顯，但其實時性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求，通常用于監(jiān)控。單片機(jī)系統(tǒng)在成本控制上更加靈活，可是沒有操作系統(tǒng)使其只能應(yīng)用于低端場合。具有嵌入式操作系統(tǒng)的PLC將能結(jié)合兩者的優(yōu)點，成為PLC領(lǐng)域的主要研究方向。本文介紹以嵌入式芯片STM32和CAN總線相結(jié)合的方式進(jìn)行嵌入式PLC設(shè)計，并采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，利用其開放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性來達(dá)到高實時要求的PLC控制，在保證實時性的同時，實現(xiàn)多點位、復(fù)雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標(biāo)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。本設(shè)計采用ST公司生產(chǎn)STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，它集成了兩個CAN控制器，并為每個CAN控制器分配了256字節(jié)的SRAM，每個CAN控制器有3個發(fā)送郵箱和兩個接收FIFO。它主要負(fù)責(zé)采集、處理開關(guān)量和模擬量輸入，控制開關(guān)量輸出，同時通過CAN總線完成與上位機(jī)的通信。
開關(guān)量的輸入，為了減少外部開關(guān)對系統(tǒng)的干擾，首先在輸入端用光電耦合器隔離，再由IO口分別讀取12路通道的輸入，讀取的開關(guān)量可以存儲在ARM的存儲器內(nèi)。ARM對開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī);另一方面將開關(guān)狀態(tài)由LED實時顯示輸入開關(guān)量狀態(tài)。對于13路的開關(guān)量輸出，ARM通過CAN總線得到上位機(jī)傳來的開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過控制繼電器的鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，完成對繼電器的開關(guān)控制;另一方面將開關(guān)狀態(tài)由LED實時顯示輸出開關(guān)量狀態(tài)。模擬量的采樣則通過信號放大調(diào)理電路及相應(yīng)的控制電路，然后對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量讀入 PLC系統(tǒng)的輸入映像緩沖區(qū)，從而完成對模擬量的采集。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 開關(guān)量輸入輸出模塊
開關(guān)量輸入電路的功能是接收工業(yè)現(xiàn)場各種開關(guān)量信號的輸入，并將其轉(zhuǎn)換成符合CPU要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。為提高控制器的抗干擾能力，在開關(guān)量輸入信號和處理器STM32之間使用光電耦器件TLP521隔離，當(dāng)開關(guān)量輸入信號受到干擾時，只要其共模電壓低于光耦的最大隔離電壓，就不會對處理器正常工作造成任何影響。
開關(guān)量輸入電路如圖2所示。其中X1為輸入端，P1為微控制器端口，LED0為輸入點的狀態(tài)指示燈，TLP521為光電耦合器，它實現(xiàn)現(xiàn)場與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。
