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标题: 基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计 [打印本页]

作者: 我是MT    时间: 2015-3-20 12:10     标题: 基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计

本帖最后由 yumuzi 于 2015-3-20 15:13 编辑

[导读] 针对目前普通PLC存在的一些不足,采用PHILIPS公司的ARM 微处理器LPC2294和嵌入式操作系统μCOS-II,面向工业控制领域设计了一种嵌入式PLC.阐述了该嵌入式PLC的硬件设计电路及软件系统。源代码开放的μCOS-II操作系统在该处理器上的移植提高了系统的可靠性,提高了软件开发效率,缩短了开发周期。用户编程界面采用了符合IEC61131-3编程语言标准的SWOPCFXGP/WIN-C编程环境。所设计的嵌入式PLC功能灵活,易于剪裁,更贴近各种档次的机电设备的控制要求。


  四十多年来,PLC已成为实现工业控制的中坚力量。它的功能不断完善,应用领域不断扩大,对于工业控制技术的进步与社会发展所发挥的作用无可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性,主导了工控行业数十年。PLC虽然有着它固有的优势,但面对客户需求的不断变化,PLC要想生存,就必须突破传统模式,积极求新求变以适应新的市场发展。而具有低成本优势的嵌入式PLC,正好能够满足这一需求。所谓嵌入式PLC 是指采用SoC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能,并能用IEC61131-3的标准编程语言编程的PLC.随着高性能的ARM 嵌入式微处理器的发展,笔者设计了新一代微型嵌入式PLC.本文介绍了嵌入式PLC的体系结构,包含其硬件设计和软件设计方案。
  1 嵌入式PLC的硬件结构设计
  1.1 微控制器芯片的选取
  CPU是PLC的核心,它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令,并按照指令的规定,根据当前的现场I/O信号的状态,发出相应的控制指令,完成预定的控制任务。本设计选用的是Philips公司生产的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S,并支持实时仿真和跟踪的CPU芯片,它带有256kB嵌入的高速Flash存储器,16kB 片内SRAM.LPC2294采用144脚封装、具有极低的功耗以及多达112个通用I/O 口,9个边沿或电平触发的外部中断引脚,最大为60MHz的工作晶振,多个32位定时器,PWM 单元,实时时钟和看门狗,转换时间低至2.44μs的8通道10位ADC、4 路高级CAN 接口, 另外具有2 路UART(16C550),高速I2 C (400kbit/s)及2路SPI总线。LPC2294丰富的硬件资源和完善的功能使这款微控制器特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线等场合。
  1.2 硬件系统的整体结构
  本系统以ARM 芯片LPC2294为CPU,设计为14路PNP型输入、10路继电器输出的基本模式。硬件总体结构包括:
  电源及复位模块、ARM 微控制器、Flash存储器扩展模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS485接口及CAN接口通信模块等。系统的结构如图1所示。


  1.2.1 开关量输入输出接口电路
  图2所示为一路开关量输入图。此部分电路前端为R、C组成的一阶滤波电路,防止外部干扰信号进入系统中。输入端外接的输入控制开关信号(直流24V)通过输入点10.0经限流电阻输入到光电耦合器(PC816)的输入端,M 为输入点10.0~10.7的公共输入端。因P0.23口被设置为输入模式且口线内部无上拉电阻,所以需要外接上拉电阻,防止口线悬空。当10.0输入端为24V时,光电耦合器中的光敏二极管导通,光敏晶体管输出端被拉为低电平,指示该路输入状态的LED被点亮,P0.23被置为低电平。当CPU访问该路信号时,将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为 1.10.0输入端为0V时,P0.23为高电平,当CPU访问该路信号时,则将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为0.其余各个输入点所对应的电路及工作原理均相同。


  图3所示为继电器输出模块图,图中并联在继电器线圈两端的二极管这里起续流作用。该模块的工作原理如下:当内部输出过程映像寄存器为1时,LPC2294端口P1.16输出0,光敏晶体管导通,继电器线圈得电,输出点接通;反之当内部输出过程映像寄存器为0时,端口P1.16输出1,继电器线圈失电,输出点断开。


  需要注意的是,当LPC2294的GPIO 口初上电时,其输出端口(如本图中的P1.16)的电压不稳定,这样易导致外部继电器误动作而引起外部设备工作不稳定。为此,我们设计了图4电路用来提高继电器输出的稳定性。


  这是一个由NE555 定时器组成的单稳态电路,其中VCC5.0D端接图3中光电耦合器的集电极。其工作原理为:系统上电初始,2、6管脚电平不能突变,保持为低电平。分析 NE555的内部电路可知,此时输出端3管脚输出高电平,电路开始对R、C电路进行充电,随着时间的推移,管脚2、6的电平不断升高,当升至23VCC 时,输出端3管脚将翻转至低电平,使三极管导通,VCC5.0D输出5V.这样,系统上电后经过一段时间,I/O口的电平稳定下来之后,光电耦合器才得电开始工作。暂稳态的持续时间tW取决于外接电阻R 和电容C的大小。tW等于电容电压在充电过程中从0上升到23VCC所需要的时间,即


  1.2.2 模拟量输入电路设计
  先通过电阻R66,将现场传感器输出的电流信号转换为0~5V电压信号进行采集。考虑到抗干扰及对微处理器电路的保护,在转换电路的输出端加了线性光耦HCNR201.硬件电路如图5所示。


  1.2.3 串行通讯接口电路设计
  为了能与其它工业控制产品兼容,我们设计时采用了RS-485接口标准。为了将TTL电平转换成 RS485电平,选用了SP485E 收发器。SP485E 芯片的数据传输速率可高达10Mbps,其最大的特点是在为发送器输出和接收器输入管脚提供了ESD保护电路。接口电路如图6所示。



2 嵌入式PLC的软件系统设计
  嵌入式PLC的软件分为运行系统软件和开发系统软件两部分。运行系统负责对整个系统的管理和对用户程序的编译执行,并保存所有的数据,完成与外界通讯。开发系统面对用户,完成对PLC程序的编辑和转换。
  2.1 PLC运行系统软件
  该系统负责为应用程序分配内存,把该应用程序加载到分配好的内存里,然后开始执行该程序的指令。如果该程序要求位于底层的操作系统提供服务,该运行系统还必须负责处理有关的服务请求。该运行系统是基于嵌入式操作系统μC/OS-II来开发的,选用嵌入式操作系统提高了软件系统的抗干扰性,系统的可靠性及应用软件的开发效率,缩短了开发周期。μC/OS-II的移植的主要工作是修改与ARM 处理器相关部分的代码,它们集中在3个文件中。
  ①OS_CPU.H文件该文件包含了用#define定义的与处理器相关的常量、宏和类型定义。文件中这些数据类型的定义如下:
  typedef unsigned char BOOLEAN;
  typedef unsigned char INT8U;
  typedef signed char INT8S;
  typedef unsigned short INT16U;
  typedef signed short INT16S;
  typedef unsigned int INT32U;
  typedef signed int INT32S;
  typedef float FP32;
  typedef double FP64;
  typedef unsigned int OS_STK;
  与ARM7体系结构相关的一些定义如下:
  #define OS_CRITICAL_METHOD 2
  __swi(0×00)void OS_TASK_SW (void);
  __swi(0×01)void _OSStartHighRdy (void);
  __swi(0×02)void OS_ENTER_CRITICAL (void);
  __swi(0×03)void OS_EXIT_CRITICAL (void);_
  _swi(0×40)void*GetOSFunctionAddr(int Index);
  __swi(0×41)void*GetUsrFunctionAddr(int Index);
  __swi(0×42)void OSISRBegin (void);
  __swi(0×43)int OSISRNeedSwap (void);
  __swi(0×80)void ChangeToSYSMode (void);
  __swi(0×81)void ChangeToUSRMode (void);
  __swi(0×82)void TaskIsARM (INT8Uprio);
  __swi(0×83)void TaskIsTHUMB (INT8Uprio);
  /*上述函数需在移植文件OS _CPU.H 中将其声明。
  */#define OS_STK_GROWTH 1
  此代码段中的OS_ENTER_CRITICAL()函数和OS_EXIT_CRITICAL ()函数实现打开和关闭处理器的功能。
  ②OS_CPU_C.C文件该文件中的任务栈结构初始化函数OSTaskStkInit (),必须根据移植时统一定义的任务堆栈结构进行初始化。另外还有9个系统规定的钩子函数必须声明,但可以不包含任何代码,这些钩子函数在本移植中全为空函数。
  ③OS_CPU_A.S文件的移植共包括4个函数:多任务启动函数中调用的OSStartHighRdy ()、任务切换函数OSCtxSw()、中断任务切换函数OSIntCtxSw ()、时钟节拍服务函数OSTickISR ()。
  至此整个μC/OS-II内核移植完成。以后的用户程序都是在这个基础上进行的扩充。
  2.2 PLC开发系统软件
  该系统的主要任务是让用户编写PLC程序,所以还需要设计与该系统相对应的编程平台。编程平台的设计主要包括编程界面的设计、编辑器的设计、转换模块的设计、编译器的设计和通信模块的设计等。软件系统结构图如图7所示。


  用户在编程平台里编写PLC程序。这里借用FX系列PLC的编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C 作为编程平台,编程语言可以使用梯形图和指令表。然后通过转换程序把编译后的目标文件转化成C语言。转换程序其实就是一个解释系统,通过逐条翻译编程软件的指令表,生成和处理器指令系统无关的用户指令。使用这样的方式作为上位机编程平台,节省了工作量。
 3 系统测试
  将所设计的PLC软件系统植入基于LPC2294的嵌入式开发平台,与PLC输入输出硬件接口板连接,构成14输入10输出的PLC系统。在上层开发系统中编写相应的PLC梯形图,编译后加载到嵌入式PLC的运行系统中。梯形图如图8所示。


  按下开关0,相应的LED0被点亮,延时4秒后LED1被点亮。按下开关1,相应的LED2被点亮,同时LED0被熄灭。
  由以上的测试效果可以看出原型机的测试结果与理论分析结果相同,所设计的PLC控制系统硬件、软件及μCOS-II操作系统的移植达到了期望的控制效果,达到了设计要求。
  4 结束语
  本文针对目前普通PLC存在的一些不足,提出了一种基于LPC2294的嵌入式PLC设计方案。该嵌入式PLC的硬件、软件、通信等各方面的功能设计灵活,易于剪裁,更贴近各种档次的机电设备的要求。该PLC完全基于嵌入式系统的技术基础,拿来就可以用,且SOC芯片、嵌入式操作系统、符合IEC61131-3编程语言标准编程环境等在市场上很容易找到,因此该嵌入式PLC在我国市场的使用和推广前景十分可观。





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