基于A(yíng)R嘞CAN總線(xiàn)的嵌入式PLC設計

摘要：為實(shí)現PLC低成本，個(gè)性化的社會(huì )需求，提出一種嵌入式PLC設計方案，重點(diǎn)討論了系統的總體構成以及軟、硬件設計方法。系統采用ARM作為主控芯片，以CAN總線(xiàn)作為主要通信接口，結合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，保證了系統的可靠性和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗結果表明，該系統運行穩定，通信可靠，能夠滿(mǎn)足基本的工業(yè)應用需求。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；ARM；嵌入式系統；CAN總線(xiàn)

0 前言
可編程邏輯控制器(PLC)，一種數字運算操作的電子系統，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采用一類(lèi)可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數字或模擬輸入／輸出控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)
程，是工業(yè)控制的核心部分。隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及規模的不斷擴大，傳統的PLC面臨著(zhù)IO點(diǎn)數增多、通訊功能需要增強等諸多方面的挑戰，已無(wú)法滿(mǎn)足個(gè)性化、差異化的需求。
現有的設計主要有工控機、單片機板等。工控機在互連、表達、算法等方面優(yōu)勢明顯，但其實(shí)時(shí)性、穩定性難以滿(mǎn)足連續控制的苛刻要求，通常用于監控。單片機系統在成本控制上更加靈活，可是沒(méi)有操作系統使其只能應用于低端場(chǎng)合。具有嵌入式操作系統的PLC將能結合兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為PLC領(lǐng)域的主要研究方向。本文介紹以嵌入式芯片STM32和CAN總線(xiàn)相結合的方式進(jìn)行嵌入式PLC設計，并采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統，利用其開(kāi)放性、模塊化和可擴展性的系統結構特性來(lái)達到高實(shí)時(shí)要求的PLC控制，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現多點(diǎn)位、復雜功能的PLC系統控制目標。

1 系統總體設計
系統總體設計框圖如圖1所示。本設計采用ST公司生產(chǎn)STM32F103RCT6作為系統的主處理器。STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的ARM Cortex-M3內核，它集成了兩個(gè)CAN控制器，并為每個(gè)CAN控制器分配了256字節的SRAM，每個(gè)CAN控制器有3個(gè)發(fā)送郵箱和兩個(gè)接收FIFO。它主要負責采集、處理開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入，控制開(kāi)關(guān)量輸出，同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)完成與上位機的通信。

開(kāi)關(guān)量的輸入，為了減少外部開(kāi)關(guān)對系統的干擾，首先在輸入端用光電耦合器隔離，再由IO口分別讀取12路通道的輸入，讀取的開(kāi)關(guān)量可以存儲在A(yíng)RM的存儲器內。ARM對開(kāi)關(guān)量數據進(jìn)行處理，一方面通過(guò)CAN總線(xiàn)將數據傳輸到上位機；另一方面將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸入開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。對于13路的開(kāi)關(guān)量輸出，ARM通過(guò)CAN總線(xiàn)得到上位機傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸出數據，并且將數據進(jìn)行處理，一方面通過(guò)控制繼電器的鎖存器將數據鎖存，完成對繼電器的開(kāi)關(guān)控制；另一方面將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸出開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。模擬量的采樣則通過(guò)信號放大調理電路及相應的控制電路，然后對其進(jìn)行A／D轉換，轉換后的數字量讀入PLC系統的輸入映像緩沖區，從而完成對模擬量的采集。

2 系統硬件設計
2．1 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊
開(kāi)關(guān)量輸入電路的功能是接收工業(yè)現場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)量信號的輸入，并將其轉換成符合CPU要求的標準邏輯電平。為提高控制器的抗干擾能力，在開(kāi)關(guān)量輸入信號和處理器STM32之間使用光電耦器件TLP521隔離，當開(kāi)關(guān)量輸入信號受到干擾時(shí)，只要其共模電壓低于光耦的最大隔離電壓，就不會(huì )對處理器正常工作造成任何影響。
開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖2所示。其中X1為輸入端，P1為微控制器端口，LED0為輸入點(diǎn)的狀態(tài)指示燈，TLP521為光電耦合器，它實(shí)現現場(chǎng)與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。