嵌入式PLC芯片組的多路模擬量應用開發

本文介紹了一種新的PLC開發過程——嵌入式PLC的開發。嵌入式PLC以用戶的應用為中心，軟硬件可由用戶根據工藝需要來裁剪，很好地滿足了用戶的個性化需求。?

關鍵詞：嵌入式PLC芯片組??系統軟件??內核????

如今工業控制產品已發展到一個追求個性化、差異化的階段。傳統的PLC產品已經無法滿足更加細分化的市場需求，為了滿足這種需求，出現了嵌入式PLC產品。

一、嵌入式PLC?

嵌入式PLC是將PLC系統軟件構建于控制器內，根據用戶控制需要定制硬件，以PLC的應用方式解決對象控制問題的PLC。它由兩部分組成：嵌入式PLC系統軟件和芯片組

1、嵌入式PLC系統軟件

嵌入式PLC系統軟件將PLC語言（梯形圖語言）、CAN總線嵌入到單片機中,使單片機的產品開發從使用匯編語言變為使用PLC梯形圖語言,并具有CAN總線的互連特性。該系統軟件具有以下特點:1.以梯形圖語言為內核,添加了中斷管理系統,能實現PLC無法實現的硬實時操作;2.強化運算能力,增加了CANBUS函數庫、浮點數庫、專家自整定PID、嵌入式WEB等,豐富了PLC的功能;3.提供開放式擴展結構,支持第三方開發擴展單元的接線;4.增加了網絡互連功能,在遠程端加載專用瀏覽器后,即可實現遠程監控。
系統軟件包括三個部分。
①嵌入式PLC內核：　它完成實時任務調度、梯形圖語言解釋、執行、通訊等基本功能，并提供二次開發驅動接口；
②二次開發驅動程序　通過系統軟件提供的外掛任務，使用內核開發各種面向具體對象個性化、差異化的驅動程序；
③終端應用程序　指面向工藝流程控制的梯形圖語言程序?

2、嵌入式PLC芯片組

EASY?CORE?1.00?是一個加載了嵌入式PLC系統軟件的核心芯片組，作為一款加載了系統軟件的硬件平臺，可以用來設計通用和專用PLC。
1）芯片組基本性能：
①?供電：+5V?200mA，RAM掉電保護5年。
②?CPU：?C8051F040。
③?嵌入擴展能力
●32?I/O：可復用成SPI、I2C接口及外中斷、外計數、AD等。
●4?AD：?12位精度，100?KPS。
●2?DA：?12位精度，100?KPS。
④?通信接口
●CANBUS：系統軟件管理，使用工具軟件CANSet構建CANBUS總線網絡。
●UART0：系統軟件管理，用于梯形圖編程、監控，支持人機界面及用戶驅動程序下載。
●UART1：系統軟件管理，用于下載CANBUS網絡參數、構建RS485網絡及支持第三方設備互連。
2）芯片組原理框圖：

二、應用開發

基于加載了系統軟件的核心芯片組，我們可以根據工藝需要來開發自己的嵌入式PLC產品。下面就介紹基于嵌入式PLC芯片組開發的16路輸入的模擬量PLC產品（可輸入標準信號或熱電偶信號）。

1、硬件設計

硬件整體結構圖如下：

AI0是芯片組內的一個AD轉換通道，P1.0—P1.4作為模擬開關的通道控制線來進行16個模擬信號通道間的切換。

（1）信號采集電路
用AD公司的高精密放大器OP07構成模擬信號放大電路，OP07具有低輸入偏移電壓（10uV）、低漂移電壓（0.2uV/℃）和寬范圍的供電電壓（±3V－±18V）,?可以很好地滿足該產品的要求。在這里OP07由±5V供電，R18、R79作為調零電阻，輸出電壓由下式給出：Vout＝Vin（1＋R98/R56）。

（2）信號選擇電路
選擇16通道的模擬開關CD4067構成信號選擇電路，A、B、C、D、INH接到芯片組的P1.0－P1.4引腳，做為模擬開關的通道選擇控制信號。OUT引腳接到芯片組的AIN0，即第一個AD轉換通道。

2、軟件開發

嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片開發的，所以二次程序的開發使用51匯編語言。開發選擇的編譯器是KEIL?C51，因為它可以生成我們所需要的.HEX文件。內核留出了七個用戶嵌入程序接口，我們只需要充分理解各個接口的功能就可了進行二次開發了，需要熟悉如下內容：a、內核功能b、內核結構c、內核任務管理d、內核存儲空間分配。【1】由于系統軟件中已經加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模擬量PLC的二次驅動軟件的開發主要集中在模擬量的AD轉換和PLC資源區中AD值的實時刷新上。
（1）程序規劃
T4中斷：完成AD轉換和16個通道的切換程序
USER_SCAN：PLC資源區中AD值的刷新。
AD轉換過程如下：每一通道連續采樣16次，采樣完后得到累加和，然后啟動下一通道的AD轉換。
PLC資源區中AD值的刷新過程如下：在梯形圖掃描周期結束時進行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的資源區的對應位置處。
（2）程序代碼
INIT_AD:?;AD初始化
?MOV??SFRPAGE,??#ADC0_PAGE
?MOV??REF0CN,??#07H?;內部參考電壓/輸出到VERF
?????????;啟動內部溫度傳感器
?MOV??AMX0CF,??#00H?;單極性輸入
?MOV??ADC0CF,??#0B8H?;D7——D3=SYSCLK/采樣時鐘-1
?????????;采樣轉換時鐘=1US
?????????;D2——D0=GAIN
?????????;000?GAIN=1
?MOV??ADC0CN,??#90H?;啟動AD采樣
?MOV??AD_CHANNEL,?#00H?;AD通道號，初值為0
?MOV??AD_COUNT,??#00H?;16次采樣次數計數。初值為0?
?RET

?SAMPLE_AD:?????????;AD采樣開始
?MOV??SFRPAGE,?#ADC0_PAGE?;AD控制寄存器頁?????
?MOV??A,??AD_CHANNEL??;采樣值的累加和是一個字基地址?????????;為#XA??I?,偏移地址為AD_CHANNEL
???RL??A
??
?MOV??DPTR,??#XAI??;XAI存放16次采樣值的累加和
?ADD??A,???DPL???;低字節相加
?MOV??DPL,??A
?MOVX?A,???@DPTR
?MOV??B,???A
?MOV??A,???ADC0L
?CLR??C
?ADDC?A,???B
?MOVX?@DPTR,??A

?INC??DPTR?????;高字節相加
?MOVX?A,???@DPTR
?MOV??B,???A
?MOV??A,???ADC0H
?ANL??A,???#0FH
?ADDC?A,???B
?MOVX?@DPTR,??A???;#XAI中存放格式為低字節、高字節

?MOV??SFRPAGE,?#ADC0_PAGE?;AD控制寄存器頁
?MOV??ADC0CN,?#090H??;啟動下次AD采樣?
???
?INC??AD_COUNT
?MOV??A,???AD_COUNT
?CLR??C
?SUBB?A,???#16??
?JNC??FILL_XAI_XAD???;當16次采樣完成后,把XAI中16??????????;個采樣和（2?字節）存放到XAD
?RET

3、驅動程序的嵌入

在KEIL?C51中編譯上述程序。使用下載工具軟件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通過串口下載到芯片組的固定地址處，使得內核可以調用它，從而完成二次驅動程序的開發。到此，16路模擬量PLC的開發工作基本完成。

三、功能介紹

基于嵌入式PLC開發的多路模擬量網絡節點具有以下功能：1、采集工業現場的多路熱電偶信號，2、支持三菱、臺達等多家人機界面，?3、支持梯形圖編程（86條指令），?4、支持CANbus互連（多機并聯運行或擴展單元連接）等。這里簡要介紹下該網絡節點的梯形圖功能應用。
嵌入式PLC的系統軟件中內置了溫度轉換函數，其功能是把熱電偶毫伏信號對應的AD值轉化成溫度值。適用于任意分度熱電偶輸入信號，應用于不同的控溫場合，配合PID調節，使受控溫度精度可達±1℃。
下面的梯形圖程序就是把一路熱電偶信號轉換成溫度值，該信號AD值放在D5000，轉換后的溫度值存放在D5160中。