解析嵌入式PLC芯片组的多路模拟量应用开发

PLC可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

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。PLC语言（梯形图语言）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梯形图语言同时，获取了梯形图编程平台所提供的各种强大的应用功能。我们称用于单片机产品开发，自身具有强大功能的梯形图语言编程软件为嵌入式PLC。嵌入式PLC能广泛应用于各种单片机产品。

一、嵌入式PLC

嵌入式PLC是指在特定的控制装置中实现PLC（ProgramableLogicController）梯形图编程语言的解释、执行，使特定装置在自身专用功能基础上具有PLC的基本功能。梯形图是一种面向工厂自动化工程师的图形化PLC编程语言。梯形图具有简洁、直观，面向工艺流程等许多优点。PLC编程语言的出现使控制装置中的硬件管和面向控制流程分离，PLC制造商专注于硬件及硬件管理，工厂自动化人员借助梯形图语言作二次开发，使同一种PLC适用于不同的控制系统中，形成了可编程逻辑控制器（PLC）这种平台级产品。

1、嵌入式PLC系统软件

嵌入式PLC正是面向IPC和单片机系统开发的，它保留了PLC（借助梯形图语言）硬件管理和工艺控制分离的优势，结合IPC和单片机提供的更个性化、差异化的设计方法，形成一种新的控制器设计理念。当我们在IPC中嵌入PLC的功能时，我们称之为基于PCBase的嵌入式PLC，当我们在单片机中嵌入PLC功能时，我们称它为基于AllONOne的嵌入式PLC（片级嵌入PLC）。未特别说明时，嵌入式PLC指片级嵌入式PLC，也就是本文提出的嵌入式PLC。以下描述以8位单片机C8051F040为硬件的以科威公司EASYV1.00版嵌入式PLC软件架构。

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。

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 I/O：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：

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。

1、硬件设计

硬件整体结构图如下：

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＋R98/R56）。

（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。

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。

（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#XA I ,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。

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。

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。