基于嵌入式PLC的多路模拟量网络节点的开发

【摘 要】：介绍了一种新的工控产品开发平台——嵌入式PLC，它具有PLC功能和CAN网络互连功能的开发平台。重点介绍了利用该平台开发的多路模拟量网络节点的软硬件设计及该节点的功能实现过程。为广大工程技术人员提供了一种新的工控产品开发方法。 关键词：嵌入式PLC 系统 软件 开发平台 内核 1 前言 在自动化控制领域，控制设备一般使用PLC或嵌入式系统。PLC具有通用性强、使用方便、可靠性高、编程简单等特点。而嵌入式系统具有成本低，应用场合广泛等优点，但不易维护。结合了PLC和嵌入式系统优点的嵌入式PLC就应运而生了。这种开发平台既有PLC的易使用性、高可靠性，又有嵌入式系统低成本的特点，加上它支持的现场总线标准——CAN总线，这就为工控产品开发人员提供了一个快捷可靠、具有网络互连和远程监控的通用开发平台，提高了工控产品的开发速度，降低了开发风险，节约了开发费用。 运用嵌入式PLC平台开⒌牟房梢允褂锰菪瓮加镅员喑蹋С諧ANbus互连，支持台达、三菱等多家人机界面，能实现多机并联运行，方便地接入互联网，实现底层生产设备的信息化。 2 嵌入式PIC的介绍 嵌入式PLC，就是发挥PLC梯形图语言的优势，将PLC梯形图语言、CANbus嵌入到单片机中，使单片机具有PLC梯形图语言功能和CANbus的互连特性。 它的基本功能有：①通信，可以构成CANbus网络及RS485／RS422网络，能与台达、三菱等多家人机界面互连、支持第3方开发扩展单元的连接；②梯形图，梯形图编程、下载、上传及梯形图监控；③用户应用程序嵌入，基本开关量和模拟量处理及基本数值处理。 2．1 嵌入式PLC的硬件平台 嵌入式PLC的硬件平台为开发者提供了丰富的扩展接口，可以按照自己的需要来设计产品，并且支持三菱、台达等多家人机界面、支持梯形图编程（86条指令）、支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等功能。 2．2 嵌入式PLC的系统软件 嵌入式PLC的系统软件将PLC语言（梯形图语言）、CAN总线嵌入到嵌入式系统中，使嵌入式系统的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。 系统软件具有以下特点：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；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；提供开放式扩展结构，支持第3方开发扩展单元的接线；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3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。 3 硬件设计 这里结合实例介绍利用嵌入式PLC开发产品的过程。 多路模拟量网络节点是利用嵌入式PLC开发的，该节点可以采集工业现场的多路热电偶信号，并可成为CANbus底层设备网络中的一个智能节点。 3．1 硬件结构 根据该网络节点所要实现的功能，利用嵌入式PLC的硬件平台来设计节点的硬件，用2路AD通道，其中一路采集现场信号，另一路采集环境温度；P1.0～P1.4做为模拟信号通道的控制线，进行16今模拟信号通道间的切换；P3.0～P3.7用作数码管显示控制线；P2.0～P2.2用作按键控制；UART0口用于硬件驱动程序和用户梯形图程序的开发，并可在设备运行时与人机界面的互连；UART1口可用于构成485网络；CAN接口用于构成CAN（control area network）网络，硬件整体框图见图2。 3．2 信号放大电路 3．3 CAN通信电路 硬件平台上CAN接口的输入、输出信号是HCANRX，HCANTX，为了增加CAN节点的抗干扰能力，将这两个信号通过高速光隔6N137与总线收发器相连。选用Philips的PCA82 C250做为总线收发器，它可以提供总线的差动发送能力和接收能力，高速应用可达1 Mb／s，最多可挂110个节点。电路原理图见图4。 4 软件设计 X，Y，M，S，T，C，D各类梯形图可见元件的数据存储区叫做PLC资源区，它是系统程序、嵌入程序及梯形图程序操作的交叉点。即梯形图中用到的元件存放在PLC资源区，多路模拟量网络节点的现场数据和网络数据也存放在PLC资源区，因而嵌入程序的主要任务就是不断更新PLC资源区中的各种数据。 4．1 二次驱动程序的开发 该网络节点的功能是采集工业现场的多路热电偶信号和进行底层工业控制网络间通信。由于嵌入式PLC中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，就可以不再设计通信软件，软件的设计任务就集中在现场信号的AD转换和PLC资源区中数据的实时刷新上（把转换后的AD值存人芯片组内部开辟的PLC资源区中，供梯形图程序使用）。 4．1．1 嵌入程序说明 内核留出了7个用户嵌入程序接口，该程序使用了其中4个嵌入程序接口：USER—START，USER—CONFIG，USER—INIT，USER—SCAN。USER—START初始化了一些存储单元和标志位，USER—CONFIG配置IO端口和启动T4中断，USER—INIT初始化AD转换通道的控制寄存器，USER—SCAN每次梯形图扫描结束时，更新梯形图中的PLC资源。T4中断，完成AD转换和16个通道的切换。 AD转换过程为：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AD转换。 PLC资源区中AD值的刷新过程为：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资源区的对应位置处。 图5为嵌入程序流程图。 4．1．2 程序代码示例 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，因为它可以生成需要的．HEX文件。 4．2 二次驱动程序的嵌入 在KEILC51中编译嵌入程序。使用专用下载工具软件把生成的16进制文件通过串口0下载到系统中，使得系统内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。 5 功能测试 基于嵌入式PLC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；④支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）。 5．1 梯形图功能应用 嵌人式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℃。 图6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值放在数据寄存器D5000中，转换后的温度值存放在D5160中。 5．2 CANbus网络应用 利用嵌入式PLC的CAN网络接口，多路模，拟量网络节点可以很方便地构成CANbus网络。即可以做为CANbus网络中的主站也可以做为从站。做为主站时需要先设置主站的地址，然后再通过CANSET软件配置CANbus网络。做为从站只需要配置从站地址即可。 整个CANbus网络数据资源的配置由CAN-SET软件来实现，它是图形化界面的软件，能很轻松方便地完成通讯设置。设置内容包括：网络设备总数、网络设备地址、网络通讯数据的内容、网络数据通讯速度等。它还能根据用户的需要，灵活设置每个设备的任务级别，以保证网络资源的合理分配。 5．2．1 配置节点为主站 主站通过CAN总线与网络中的每个设备进行通讯，两个设备之间的通讯也必须由主站来完成。同时它又可以与PC（上位机）和HMI（人机界面）进行通讯。下面通过梯形图把主站地址设为0，如图7所示。 图8是在CANSET下设置本系统的CAN-bus网络配置。 5．2．2 配置节点为从站 图9表明把节点配置成2号从站。 6 结束语 该多路模拟量网络节点利用嵌入式PLC的梯形图语言功能和CANbus的互连特性，设计时只用更多地关注接口及可靠性，而将用户工艺交给梯形图语言。有效地降低了开发难度和成本，产品也具有很高的性价比。该网络节点兼有CAN总线接口和485网络接口，既能构建CAN总线网络，又能构建485网络。尤其是CAN总线的应用，使它的实时性、灵活性、组网方便性以及可维护性获得很好的保证。因此，利用嵌入式PLC来开发具有低成本、高可靠性和强大网络功能的工控产品是个很好的选择。