基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設計（一）

四十多年來(lái)，PLC已成為實(shí)現工業(yè)控制的中堅力量。它的功能不斷完善，應用領(lǐng)域不斷擴大，對于工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)步與社會(huì )發(fā)展所發(fā)揮的作用無(wú)可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主導了工控行業(yè)數十年。PLC雖然有著(zhù)它固有的優(yōu)勢，但面對客戶(hù)需求的不斷變化，PLC要想生存，就必須突破傳統模式，積極求新求變以適應新的市場(chǎng)發(fā)展。而具有低成本優(yōu)勢的嵌入式PLC，正好能夠滿(mǎn)足這一需求。所謂嵌入式PLC 是指采用SoC嵌入式片上系統芯片和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現PLC功能，并能用IEC61131-3的標準編程語(yǔ)言編程的PLC.隨著(zhù)高性能的ARM 嵌入式微處理器的發(fā)展，筆者設計了新一代微型嵌入式PLC.本文介紹了嵌入式PLC的體系結構，包含其硬件設計和軟件設計方案。

　　1 嵌入式PLC的硬件結構設計

　　1.1 微控制器芯片的選取

　　CPU是PLC的核心，它能夠識別用戶(hù)按照特定的格式輸入的各種指令，并按照指令的規定，根據當前的現場(chǎng)I/O信號的狀態(tài)，發(fā)出相應的控制指令，完成預定的控制任務(wù)。本設計選用的是Philips公司生產(chǎn)的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU芯片，它帶有256kB嵌入的高速Flash存儲器，16kB 片內SRAM.LPC2294采用144腳封裝、具有極低的功耗以及多達112個(gè)通用I/O 口，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，最大為60MHz的工作晶振，多個(gè)32位定時(shí)器，PWM 單元，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗，轉換時(shí)間低至2.44μs的8通道10位ADC、4 路高級CAN 接口， 另外具有2 路UART（16C550），高速I(mǎi)2 C （400kbit/s）及2路SPI總線(xiàn)。LPC2294豐富的硬件資源和完善的功能使這款微控制器特別適用于汽車(chē)、工業(yè)控制應用以及醫療系統和容錯維護總線(xiàn)等場(chǎng)合。

　　1.2 硬件系統的整體結構

　　本系統以ARM 芯片LPC2294為CPU，設計為14路PNP型輸入、10路繼電器輸出的基本模式。硬件總體結構包括：

　　電源及復位模塊、ARM 微控制器、Flash存儲器擴展模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS485接口及CAN接口通信模塊等。系統的結構如圖1所示。

　　1.2.1 開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口電路

　　圖2所示為一路開(kāi)關(guān)量輸入圖。此部分電路前端為R、C組成的一階濾波電路，防止外部干擾信號進(jìn)入系統中。輸入端外接的輸入控制開(kāi)關(guān)信號（直流24V）通過(guò)輸入點(diǎn)10.0經(jīng)限流電阻輸入到光電耦合器（PC816）的輸入端，M 為輸入點(diǎn)10.0~10.7的公共輸入端。因P0.23口被設置為輸入模式且口線(xiàn)內部無(wú)上拉電阻，所以需要外接上拉電阻，防止口線(xiàn)懸空。當10.0輸入端為24V時(shí)，光電耦合器中的光敏二極管導通，光敏晶體管輸出端被拉為低電平，指示該路輸入狀態(tài)的LED被點(diǎn)亮，P0.23被置為低電平。當CPU訪(fǎng)問(wèn)該路信號時(shí)，將該輸入點(diǎn)對應的輸入過(guò)程映像寄存器的值置為 1.10.0輸入端為0V時(shí)，P0.23為高電平，當CPU訪(fǎng)問(wèn)該路信號時(shí)，則將該輸入點(diǎn)對應的輸入過(guò)程映像寄存器的值置為0.其余各個(gè)輸入點(diǎn)所對應的電路及工作原理均相同。

　　圖3所示為繼電器輸出模塊圖，圖中并聯(lián)在繼電器線(xiàn)圈兩端的二極管這里起續流作用。該模塊的工作原理如下：當內部輸出過(guò)程映像寄存器為1時(shí)，LPC2294端口P1.16輸出0，光敏晶體管導通，繼電器線(xiàn)圈得電，輸出點(diǎn)接通；反之當內部輸出過(guò)程映像寄存器為0時(shí)，端口P1.16輸出1，繼電器線(xiàn)圈失電，輸出點(diǎn)斷開(kāi)。

　　需要注意的是，當LPC2294的GPIO 口初上電時(shí)，其輸出端口（如本圖中的P1.16）的電壓