基于嵌入式PLC芯片组的多路模拟量PLC的开发

一、嵌入式PLC

嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内,根据用户控制需要定制硬件,以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成:嵌入式PLC系统软件和芯片组

1、嵌入式PLC系统软件

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,即可实现远程监控。

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

EASYCORE1.00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:+5V200mA,RAM掉电保护5年。

②CPU:C8051F040。

③嵌入扩展能力

●32I/O:可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。

●4AD:12位精度,100KPS。

●2DA:12位精度,100KPS。

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(可输入标准信号或热电偶信号)。

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KEILC51,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】由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能,所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。

(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

MOVSFRPAGE,#ADC0_PAGE

MOVREF0CN,#07H;内部参考电压/输出到VERF

;启动内部温度传感器

MOVAMX0CF,#00H;单极性输入

MOVADC0CF,#0B8H;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1

;采样转换时钟=1US

;D2--D0=GAIN

;000GAIN=1

MOVADC0CN,#90H;启动AD采样

MOVAD_CHANNEL,#00H;AD通道号,初值为0

MOVAD_COUNT,#00H;16次采样次数计数。初值为0

RET

SAMPLE_AD:;AD采样开始

MOVSFRPAGE,#ADC0_PAGE;AD控制寄存器页

MOVA,AD_CHANNEL;采样值的累加和是一个字基地址;为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL

RLA

MOVDPTR,#XAI;XAI存放16次采样值的累加和

ADDA,DPL;低字节相加

MOVDPL,A

MOVXA,@DPTR

MOVB,A

MOVA,ADC0L

CLRC

ADDCA,B

MOVX@DPTR,A

INCDPTR;高字节相加

MOVXA,@DPTR

MOVB,A

MOVA,ADC0H

ANLA,#0FH

ADDCA,B

MOVX@DPTR,A;#XAI中存放格式为低字节、高字节

MOVSFRPAGE,#ADC0_PAGE;AD控制寄存器页

MOVADC0CN,#090H;启动下次AD采样

INCAD_COUNT

MOVA,AD_COUNT

CLRC

SUBBA,#16

JNCFILL_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KEILC51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。到此,16路模拟量PLC的开发工作基本完成。

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(多机并联运行或扩展单元连接)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。

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