基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設計

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）的電壓不穩定，這樣易導致外部繼電器誤動(dòng)作而引起外部設備工作不穩定。為此，我們設計了圖4電路用來(lái)提高繼電器輸出的穩定性。

這是一個(gè)由NE555定時(shí)器組成的單穩態(tài)電路，其中VCC5.0D端接圖3中光電耦合器的集電極。其工作原理為：系統上電初始，2、6管腳電平不能突變，保持為低電平。分析NE555的內部電路可知，此時(shí)輸出端3管腳輸出高電平，電路開(kāi)始對R、C電路進(jìn)行充電，隨著(zhù)時(shí)間的推移，管腳2、6的電平不斷升高，當升至23VCC時(shí)，輸出端3管腳將翻轉至低電平，使三極管導通，VCC5.0D輸出5V.這樣，系統上電后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，I/O口的電平穩定下來(lái)之后，光電耦合器才得電開(kāi)始工作。暫穩態(tài)的持續時(shí)間tW取決于外接電阻R和電容C的大小。tW等于電容電壓在充電過(guò)程中從0上升到23VCC所需要的時(shí)間，即

1.2.2模擬量輸入電路設計

先通過(guò)電阻R66，將現場(chǎng)傳感器輸出的電流信號轉換為0~5V電壓信號進(jìn)行采集?？紤]到抗干擾及對微處理器電路的保護，在轉換電路的輸出端加了線(xiàn)性光耦HCNR201.硬件電路如圖5所示。

1.2.3串行通訊接口電路設計

為了能與其它工業(yè)控制產(chǎn)品兼容，我們設計時(shí)采用了RS-485接口標準。為了將TTL電平轉換成RS485電平，選用了SP485E收發(fā)器。SP485E芯片的數據傳輸速率可高達10Mbps，其最大的特點(diǎn)是在為發(fā)送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護電路。接口電路如圖6所示。