引言

可編程邏輯控制器(PLC)以其高可靠性和使用方便的特性.使其在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著工廠自動化的進展，對PLC之間以及PLC同其他控制設(shè)備之間相互聯(lián)系的要求也相應(yīng)提高。由于PLC的通訊方式為串行通訊，受通訊方式的制約，傳統(tǒng)的PLC(即外掛式PLC)難以勝任微機和PLC都必須參與實時控制和控制功能較為復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)輸入/輸出點數(shù)多時，PLC體積會隨點數(shù)的增多而增大，安裝不太方便。此外，目前國內(nèi)因沒有自己的品牌，在應(yīng)用PLC的場合仍多選用國外產(chǎn)品，品牌多，成本高，因此研制符合實際應(yīng)用需求的國產(chǎn)化新型PLC系統(tǒng)及其通用開發(fā)平臺具有重要意義和應(yīng)用前景。

為了提高速度，降低成本，可采用虛擬式PLC，即把PLC上的CPU和存儲器等部件由微機的軟件虛擬實現(xiàn)，再配合普通的開關(guān)量I/O卡實現(xiàn)對電氣開關(guān)的控制。但此方案因主機要直接參與控制邏輯的運算過程，占用了主機的部分工作時間，會導(dǎo)致整機速度下降。另外，把過多的功能集中到主機使主機發(fā)生故障的風(fēng)險加大。因此，本文給出一種嵌入式PLC的設(shè)計方案，它可以看作是一種智能型I/O接口卡，在不增大系統(tǒng)體積的同時，使通訊速度大幅度提升，故障風(fēng)險相對分散。

1 嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

嵌入式PLC是利用PC機開放式、模塊化和可嵌入的特點，以及成熟的硬件及豐富的軟件資源，尤其是開放式的PC總線而設(shè)計的。本項目總的設(shè)計思想是:設(shè)計一個嵌入式PLC卡，它可以插到主機底板的插槽上，因該卡直接與主機底板總線相連，通訊速度可以大大提高。卡上自帶CPU，用以處理開關(guān)信號，開關(guān)邏輯處理不占用PC主機的時間，其輸出經(jīng)外接繼電器以控制開關(guān)設(shè)備的開啟與關(guān)閉、導(dǎo)通或截止。其軟/硬件的分配是合理的，能有效解決PLC與主機通信和協(xié)調(diào)工作的問題，較好地滿足控制系統(tǒng)實時性的要求。

嵌入式PLC是一個完全獨立于PC機的完整的計算機系統(tǒng)，其硬件組成如圖1所示，主要由單片機最小系統(tǒng)、程序存儲模塊、通訊模塊及輸入輸出模塊組成。嵌入式PLC的CPU采用了ATMEL公司推出的AT89S51單片機，該單片機是低功耗的、具有4KB在線可編程FLASH存儲器。圖1中雙口存儲器(雙口RAM)用于完成PC主機與嵌入式PLC之間信息的交換，與采用并行口的方案相比，該方法簡潔明了，無需復(fù)雜的通訊協(xié)議，PC主機可以隨時了解外部設(shè)備開關(guān)狀態(tài)而不需額外消耗時間，效率高于其他實現(xiàn)方式。目前，工控機的底板總線有兩類:ISA總線和PCI總線。ISA總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率比PCI總線要低得多，但已完全能夠滿足一般工業(yè)控制的需要，而且ISA總線對工控機擴展卡的要求比PCI要寬松。從已有的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗看，ISA總線可靠性也比較高，因此仍選擇ISA總線做為嵌入式PLC設(shè)計的基礎(chǔ)。此外，圖1中包括一片靜態(tài)RAM芯片6264，主要用于存儲PLC梯形圖程序。在工控PC主機中對電氣控制邏輯進行編程，編譯后經(jīng)雙口RAM存入6264中，PLC運行這部分程序以完成電氣控制。

圖1 嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 通訊模塊的設(shè)計

PC主機與嵌入式PLC卡之間可以采用并行口進行數(shù)據(jù)傳輸。這種通訊方式實現(xiàn)起來比較簡單，成本低廉，一般又能滿足大多數(shù)場合對速度的要求，目前己得到廣泛的應(yīng)用。另外，為了保證可靠地進行數(shù)據(jù)傳輸，通常在硬件設(shè)計上還要考慮握手信號。通訊雙方進行應(yīng)答的過程中，速度較快的一方將受另一方的制約。在通訊量比較大的情況下，這種交互過程將浪費相當(dāng)多的CPU時間。因此在信息量比較大的場合，運用并行口進行通訊就受到限制。此外，還可以采用共用存儲器的方法進行信息傳輸，它可以達(dá)到更高的傳輸速度。傳統(tǒng)的共用存儲器硬件設(shè)計比普通的并行口復(fù)雜得多，應(yīng)用范圍較小。最近幾年出現(xiàn)的雙口RAM芯片內(nèi)含總線仲裁電路，提供兩套相互獨立的控制、地址和數(shù)據(jù)總線，可以大大簡化共用存儲器電路設(shè)計，使其應(yīng)用日益增多。因此，在此采用雙口RAM進行數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式PLC卡通訊部分的設(shè)計如圖2所示。

圖2 嵌入式PLC卡通訊部分原理圖

在圖2中，IDT7132為IDT公司生產(chǎn)的雙端口RAM芯片，容量2K字節(jié)，它有兩套完全相同的地址、數(shù)據(jù)和控制總線，內(nèi)部含有總線仲裁電路，允許兩側(cè)總線同時對它進行讀寫操作。當(dāng)兩側(cè)同時對該芯片的同一單元進行讀寫時，內(nèi)部仲裁電路會根據(jù)兩側(cè)讀寫控制信號微小的時間差，判決一側(cè)正常讀寫，同時在另一側(cè)給出BUSY信號(低有效)，表示不能正常完成讀寫，它可用作等待信號來擴展讀寫周期，以保證正確讀寫。

圖2中AT-BUS為PC機底板總線，也可稱作ISA總線。雖然在通用PC行業(yè)，ISA有被其他更高速率的總線如PCI等替代的趨勢，但高速率的總線同時也提高了對外圍擴展線路板的要求，使可靠性有所降低，而且ISA總線己能滿足絕大多數(shù)工控系統(tǒng)對傳輸速率的要求，因此在工控領(lǐng)域仍占據(jù)重要地位。

AT總線的地址信號AO-A 10與IDT7132直接相連，A11-A19及AEN信號經(jīng)通用可編程芯片GAL16V8，產(chǎn)生IDT7132的片選信號。這種做法可以簡化譯碼電路的設(shè)計，且可以很方便地修改IDT7132的地址選擇，以免與工控機中己有的擴展板發(fā)生沖突。一般地，PC系列機存儲器空間的OAOOOOH-OEFFFFH區(qū)域為vo擴展卡保留，且某些標(biāo)準(zhǔn)uo設(shè)備如顯示適配器己經(jīng)占用了其中的一部分空間，因此本卡上IDT7132在工控PC機中占用存儲器空間應(yīng)提供多種選擇。例如，欲使IDT7132占用的地址空間為OD800:1000 -OD800:17FF，只需將GAL按以下邏輯編程:

1.2輸入/輸出(I/O)模塊的設(shè)計

嵌入式可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系就是通過輸入輸出(I/O)模塊實現(xiàn)的。I/O接口模塊的任務(wù)是將被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種變量進行采集送入單片機處理，同時控制器又通過I/O模塊將運算處理產(chǎn)生的輸出信息送到被控設(shè)備或生產(chǎn)現(xiàn)場，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)實時控制。

在通常的PC工業(yè)控制中，需要用到多路輸入，單片機上可用的I/O端口數(shù)量有限而且寶貴。在此系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)計要求的輸入、輸出點數(shù)，進行I/O端口的擴展。本次設(shè)計中所選用的I/O擴展芯片是8255A。由于輸出模塊另選了其他元件，不需要在8255A上另辟輸出端口，因此8255A的三個端口全部都用作輸入。出于對可靠性及抗干擾兩方面的考慮，開關(guān)量輸入信號經(jīng)濾波及光電禍合器隔離后送入8255，然后由驅(qū)動器74LS245讀入單片機。設(shè)計中采用的輸出元件是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的邏輯功率器件TPIC6B273ND，該器件是一種單片、高電壓、中等電流的功率邏輯8位D型鎖存器，其將鎖存器和驅(qū)動器做在單一芯片里，滿足了輸出模塊的要求，先將信號鎖存，而后在輸出刷新時驅(qū)動負(fù)載，并且能提供15OmA的連續(xù)電流驅(qū)動較大范圍的負(fù)載。開關(guān)量輸出信號經(jīng)TPIC6B273ND鎖存及功率放大后送至繼電器板，由繼電器控制外部開關(guān)設(shè)備的通斷。經(jīng)過這樣的設(shè)計使得輸出模塊結(jié)構(gòu)大大簡化，一改傳統(tǒng)模塊體積大，電路連線復(fù)雜等缺陷。

2 嵌入式PLC的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計有兩部分內(nèi)容，一個是工控PC機中相關(guān)程序設(shè)計(即上位機程序的設(shè)計或梯形圖集成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計)，另一個是PLC卡自身所帶程序設(shè)計(下位機程序的設(shè)計)。前者主要功能參圖3所示，一般基于Visual C++或Borland C++平臺進行開發(fā)。

在圖3中，梯形圖編程模塊為用戶提供方便的PLC電氣控制邏輯編程手段，其結(jié)果生成梯形圖文件。梯形圖文件僅存儲I/O點之間的邏輯關(guān)系，其格式與嵌入式PLC所用CPU類型無關(guān)，以提高編程模塊的適應(yīng)性及可重用性。梯形圖編譯模塊則用于把該文件轉(zhuǎn)化為一系列的8051機器指令，并加上一些必要的附加指令，產(chǎn)生二進制(BIN)指令碼文件。此部分應(yīng)當(dāng)考慮到PLC中I/O點的資源分布情況，使最后生成的BIN文件的指令與實際I/O資源協(xié)調(diào)一致。通訊模塊用于把BIN文件傳輸?shù)诫p口RAM中，再由PLC卡自身所帶的程序(下位程序)把它轉(zhuǎn)儲到靜態(tài)存儲器(6264)中。監(jiān)控模塊提供用戶對I/O點監(jiān)視與設(shè)置、PLC卡運行狀態(tài)/編程狀態(tài)設(shè)置等功能，方便用戶現(xiàn)場調(diào)試。另外，為了使用戶能夠在自主開發(fā)的應(yīng)用程序中對PLC卡進行有效的監(jiān)控，此部分提供開放的用戶接口。

圖3 PC機中軟件主要功能

嵌入式PLC卡自身所帶程序(下位程序)主要實現(xiàn)以下功能6264中邏輯處理程序(即由工控機傳來的BIN文件)及運行狀態(tài)的有效性檢驗，I/O點及雙口RAM映射區(qū)域的周期性刷新，運行故障監(jiān)測等。只有當(dāng)6264中已存有有效的BIN文件，且已設(shè)置好有效的運行標(biāo)志時，才能運行6264中的邏輯處理程序。另外在運行期間，運用看門狗(Watch Dog)對運行是否正常加以監(jiān)視，防止并處理諸如運行6264中的程序時發(fā)生的超時錯，6264中的邏輯處理程序出錯等異常情況。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的嵌入式可編程控制器系統(tǒng)采用了插卡式結(jié)構(gòu)，利用總線技術(shù)及雙端口RAM與工控 PC機進行信息交換，速度快，可靠性高，實時性有保證。其可嵌入到工控PC機系統(tǒng)中，便于與用戶的軟硬件組合成更復(fù)雜的系統(tǒng)。此外，目前國內(nèi)有關(guān)嵌入式PLC系統(tǒng)的研發(fā)不是很多，本文的研究工作對推動PLC控制系統(tǒng)國產(chǎn)化具有重要意義。