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摘要：为实现PLC低成本，个性化的社会需求，提出一种嵌入式PLC设计方案，重点讨论了系统的总体构成以及软、硬件设计方法。系统采用ARM作为主控芯片，以CAN总线作为主要通信接口，结合嵌入式实时操作系统，保证了系统的可靠性和实时性。实验结果表明，该系统运行稳定，通信可靠，能够满足基本的工业应用需求。
0 前言
可编程逻辑控制器(PLC)，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。随着工业技术的发展以及规模的不断扩大，传统的PLC面临着IO点数增多、通讯功能需要增强等诸多方面的挑战，已无法满足个性化、差异化的需求。
现有的设计主要有工控机、单片机板等。工控机在互连、表达、算法等方面优势明显，但其实时性、稳定性难以满足连续控制的苛刻要求，通常用于监控。单片机系统在成本控制上更加灵活，可是没有操作系统使其只能应用于低端场合。具有嵌入式操作系统的PLC将能结合两者的优点，成为PLC领域的主要研究方向。本文介绍以嵌入式芯片STM32和CAN总线相结合的方式进行嵌入式PLC设计，并采用μC/OS-II实时操作系统，利用其开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性来达到高实时要求的PLC控制，在保证实时性的同时，实现多点位、复杂功能的PLC系统控制目标。
1 系统总体设计
系统总体设计框图如图1所示。本设计采用ST公司生产STM32F103RCT6作为系统的主处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，它集成了两个CAN控制器，并为每个CAN控制器分配了256字节的SRAM，每个CAN控制器有3个发送邮箱和两个接收FIFO。它主要负责采集、处理开关量和模拟量输入，控制开关量输出，同时通过CAN总线完成与上位机的通信。
开关量的输入，为了减少外部开关对系统的干扰，首先在输入端用光电耦合器隔离，再由IO口分别读取12路通道的输入，读取的开关量可以存储在ARM的存储器内。ARM对开关量数据进行处理，一方面通过CAN总线将数据传输到上位机；另一方面将开关状态由LED实时显示输入开关量状态。对于13路的开关量输出，ARM通过CAN总线得到上位机传来的开关量输出数据，并且将数据进行处理，一方面通过控制继电器的锁存器将数据锁存，完成对继电器的开关控制；另一方面将开关状态由LED实时显示输出开关量状态。模拟量的采样则通过信号放大调理电路及相应的控制电路，然后对其进行A/D转换，转换后的数字量读入PLC系统的输入映像缓冲区，从而完成对模拟量的采集。
2 系统硬件设计
2.1 开关量输入输出模块
开关量输入电路的功能是接收工业现场各种开关量信号的输入，并将其转换成符合CPU要求的标准逻辑电平。为提高控制器的抗干扰能力，在开关量输入信号和处理器STM32之间使用光电耦器件TLP521隔离，当开关量输入信号受到干扰时，只要其共模电压低于光耦的最大隔离电压，就不会对处理器正常工作造成任何影响。
开关量输入电路如图2所示。其中X1为输入端，P1为微控制器端口，LED0为输入点的状态指示灯，TLP521为光电耦合器，它实现现场与PLC的CPU电气隔离，提高抗干扰性。
开关量输出电路是嵌入式PLC与外部连接的输出通道，PLC通过它向外部现场执行部件输出相应的控制信号。开关量输出通常有晶体管输出和继电器输出两种形式。本设计中，开关量输出电路采用了13路继电器输出，器件选用松乐SRD-24VDC-SL-C，继电器输出电路可用于直流负载，也可用于交流负载，它特别适合于对动作时间和工作频率要求不高的场合。其电路图如图3所示。D1为稳压二极管1N4148，因为直流继电器的线圈在断开时会产生反向电动势，这时需要在继电器两极并接一个1N4148来进行快速放电。
2.2 模拟量输入模块
模拟量输入电路的主要功能是把现场测量到的模拟量信号转变成PLC可以处理的数字量信号。A/D转换器是模拟量输入电路的主要器件，STM32微控制器内部含有8路10位A/D转换器，配合信号调理电路以及相应的控制电路，可以完成模拟量的采样和转换。转换后的数字量由CPU读入PLC系统的输入映像缓冲区，从而完成对模拟量的采集。
本设计中，模拟量输入电路有8路4～20mA电流输入。4～20mA直流信号制是国际电工委员会(IEC)制定的过程控制系统用模拟信号标准。在工业现场，如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会很容易受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，工业现场大量采用电流来传输信号。
2.3 CAN总线接口电路
CAN总线是一种支持分布式实时控制的串行通信网络，采用对通信数据进行编码的方式，使得CAN总线上的节点数量理论上几乎不受限制。然而实际上，CAN总线上的节点数量不宜超过100个。每一个嵌入式PLC通过CAN总线实现与上位机的通信，传输距离可达10km，通信速率高、可靠性高、抗干扰能力强。由于STM32F103X内部已集成CAN总线控制器，因此只需要外接CAN收发器即可，使得电路更加简洁而且成本更低，同时可靠性得以提高。CAN收发器采用TI公司的SN65HVD230供电电压为3.3V的CAN总线收发器，该收发器采用差分收发方式，最高速率可达1Mb/s，具有高抗电磁干扰、CAN总线保护、斜率控制等特点，电气连接简单，使用方便，完全满足工业级产品的技术要求。通信接口电路如图4所示。
3 系统软件设计
由于嵌入式PLC在工业控制方面的实时性和稳定性要求，选用μC/OS-II操作系统来管理任务调度。μC/OS-II是一个专为嵌入式应用设计，基于优先级调度的抢占式实时操作系统内核，它包含了任务调度、任务管理、时间管理、任务间通信与同步等功能。各任务之间通过信号量、邮箱和消息队列实现相互间的数据交换和同步。
本系统软件部分由下位机控制程序和上位机监控程序两部分组成。前者主要负责读取开关量和模拟量的输入数据，控制开关量输出，并且负责通过CAN总线将数据上传给上位机，以及接收来自上位机的命令；后者则通过人机交互界面来监控嵌入式PLC的状态。系统需要先完成μC/OS-II操作系统的移植，然后利用μC/OS-II操作系统提供的API函数以及ARM微控制器集成开发工具Keil开发嵌入式PLC系统的控制程序。
3.1 下位机软件设计
系统下位机软件采用模块化的设计方法，把整个系统分解为几个功能相对独立的比较小的程序模块，分别对实现各个功能的程序模块进行设计、编程和调试。根据不同模块在系统中的作用，嵌入式操作系统应实现多个不同优先级的控制任务。这些任务按照优先级从高到低分别为：接收计算机控制中心命令；采集和处理数据；发送数据到本地控制中心。系统启动流程图如图5所示。
CAN总线通信程序主要由三部分组成：初始化、发送数据、接收数据。CAN控制器的初始化流程是：首先将ARM中CAN控制器相关的引脚使能，然后对CAN控制器进行复位操作，设置CAN总线的通信波特率，最后初始化CAN控制器的工作模式。初始化之后便可以进行数据的发送与接收。CAN数据发送是将采集到的数据打包成符合CAN发送帧格式后，调用CAN发送数据函数进行发送。数据接收程序是从接收缓冲器读出数据，同时释放接收缓冲器并对数据做出相应处理，本系统中CAN总线数据接收程序采用中断法进行控制。数据发送和接收流程图如图6、图7所示。
3.2 上位机软件设计
上位机主要实现CAN总线通信、显示输入输出端口的状态等功能，可以接收下位机传输过来的数据，也可以发送命令控制下位机的输出。采用VC++6.0开发环境的MFC编程实现上位机界面编程及与嵌入式PLC之间的通信。实现界面如图8所示。
本文给出了基于ARM和CAN总线的嵌入式PLC系统的软硬件设计方法，实现了对12路开入量信号采集；13路开出量输出信号的控制；8路模拟量的采集。具有LED指示开关量状态、远程监控的功能。采用高性能嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统为核心，并使用稳定的工业现场总线，保证了系统的可靠性和实时性，达到了预期的设计要求。
作者：刘乾 孙志锋 来源：《电子技术》2011年11期
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