可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）把自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，按照成熟而有效的繼電控制概念和設(shè)計(jì)思想，用先進(jìn)的微控制器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)I/O的實(shí)時檢測和控制。由于PLC具有編程簡單、可靠性高、通用性強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。PLC技術(shù)已經(jīng)成為工科院校電工學(xué)的必修內(nèi)容。但PLC的種類很多，發(fā)展很快，而指令系統(tǒng)和使用方法又不盡相同，使PLC的教學(xué)內(nèi)容總是滯后于PLC的技術(shù)發(fā)展。為了改變這種狀況，我們以自帶在系統(tǒng)中編程（ISP）功能的、高性價比的微控制器SM2965為核心，研制了基于ISP功能的可編程序控制器，用于PLC控制實(shí)驗(yàn)。下面介紹PLC的設(shè)計(jì)思路、硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法。

一、采用ISP微控制器SM2965設(shè)計(jì)PLC的思路

為了滿足對嵌入式系統(tǒng)采用高級語言開發(fā)的需求，新一代微控制器配置了ISP功能，它是指在用戶設(shè)計(jì)的微控制器系統(tǒng)中為配置新的系統(tǒng)功能對器件進(jìn)行重新編程的技術(shù)。在PLC中采用具有ISP功能的微控制器，不僅可以在線更新用戶程序，而且還可以在線升級系統(tǒng)程序。使PLC教學(xué)能緊跟PLC最新技術(shù)發(fā)展。

（一）SM2965的特點(diǎn)

SM2965的內(nèi)核是標(biāo)準(zhǔn)的80C52，但在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了以下功能：

在系統(tǒng)中編程，編程電壓為+5V；

64k字節(jié)快閃存儲器（FLASH E2PROM），ISP功能使FLASH E2PROM可在線編程；

1k字節(jié)的RAM空間—256字節(jié)的片內(nèi)RAM和768字節(jié)的片內(nèi)擴(kuò)展內(nèi)存（EXRAM）；

可編程的看門狗定時器。

可見，一片SM2965包含了標(biāo)準(zhǔn)的80C32、FLASH、E2PROM（28SF512）、SRAM（靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器）和WDT（看門狗定時器）SM2965是性價比極相當(dāng)高的“單片”計(jì)算機(jī)。而其ISP特性使得FLASH E2PROM既可作為程序空間，也可像E2PROM一樣保存數(shù)據(jù)。以其為核心設(shè)計(jì)的PLC具有成本低、體積小、擴(kuò)展方便及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

（二）由微控制器組成PLC的思路

以微控制器為核心設(shè)計(jì)PLC，其硬件組成與微控制器測控系統(tǒng)基本相同。但在微控制器測控系統(tǒng)中，“測”和“控”的過程在時間上是串行關(guān)系。而PLC是按循環(huán)掃描方式進(jìn)行工作的，每個掃描周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，采用集中輸入、集中輸出并行關(guān)系的工作方式。若像微控制器測控系統(tǒng)一樣，對PLC梯形圖程序行依次實(shí)時采集輸入端子狀態(tài)，進(jìn)行處理后實(shí)時輸出，達(dá)不到PLC的控制效果。為此，在RAM區(qū)設(shè)置輸入緩沖作為輸入映像寄存器，采用一次性讀入全部輸入端子狀態(tài)，并將其存入輸入緩沖區(qū)，然后，按照梯形圖程序行的邏輯關(guān)系，從輸入緩沖區(qū)讀取相應(yīng)輸入端子狀態(tài)，運(yùn)算處理后將待輸出的結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)—元件映像寄存器。最后，當(dāng)梯形圖程序行全部執(zhí)行完畢，一次性將輸出緩沖區(qū)的值輸出到相應(yīng)的輸出端子，經(jīng)過上述三個階段，完成一個程序掃描周期。如此往復(fù)，自動進(jìn)行下一輪的掃描。這樣將串行程序工作和并行工業(yè)控制系統(tǒng)兩種關(guān)系協(xié)調(diào)起來。雖然存在輸入/輸出滯后現(xiàn)象，但微控制器執(zhí)行一條指令的時間是微秒級，執(zhí)行一個掃描周期的時間為幾毫秒，最大為幾十毫秒。相對于電器的動作時間而言，掃描周期是短暫的，可以認(rèn)為在一個掃描周期內(nèi)輸入端子的狀態(tài)是不變的，對其狀態(tài)變化的采集和處理也是實(shí)時的，從而滿足了實(shí)時控制的要求。

二、硬件配置及系統(tǒng)資源分析

系統(tǒng)硬件配置以微控制器SM2965為核心，如圖1所示。



該微控制器有64k字節(jié)的FLASH存儲器和1k字節(jié)的RAM，不必?cái)U(kuò)展外部存儲器，其接口P0～P3全部可作為I/O使用。輸入端子經(jīng)光電隔離后連到P0口的8個腳。用于開關(guān)量的輸入。開關(guān)接通時，相應(yīng)引腳為“1”，開關(guān)斷開時，相應(yīng)引腳為“0”。在輸入采樣階段，MCU（微控制器）讀P0口的狀態(tài)，存入輸入緩沖區(qū)相當(dāng)于輸入映像寄存器。P2口作為PLC的輸出鎖存器。在輸出刷新階段，將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到P2口鎖存器，P2口8個引腳經(jīng)光電隔離后直接驅(qū)動輸出設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。P3口將鍵盤、顯示器和微型打印機(jī)等外設(shè)與PLC連接，使PLC可脫離主機(jī)單獨(dú)使用。P1作為I/O擴(kuò)展接口，當(dāng)輸入、輸出設(shè)備所需I/O點(diǎn)數(shù)超過P0和P2所提供的I/O點(diǎn)數(shù)時，可由P1口通過I/O擴(kuò)展單元加以擴(kuò)展。用P1.6和P1.7口軟件模擬I2C總線接口，帶有I2C總線的I/O接口器件、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件作為I2C的從器件與此相連后即可增加I/O點(diǎn)數(shù)和擴(kuò)展其他功能。系統(tǒng)配置電平轉(zhuǎn)換集成電路ICL232，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232C電平，可直接與主機(jī)相連進(jìn)行串行通信。SM2965內(nèi)部自帶可編程看門狗電路，其外部僅用簡單的阻容復(fù)位即可。

SM2965片內(nèi)ROM空間分配如圖2所示，PLC系統(tǒng)程序、中斷控制設(shè)置在低地址空間，系統(tǒng)上電復(fù)位從0000H地址直接跳轉(zhuǎn)到PLC系統(tǒng)程序的入口地址，進(jìn)入PLC監(jiān)控。下載引導(dǎo)程序位于F000H～FFFFH地址范圍，系統(tǒng)上電復(fù)位如檢測到0000H地址的內(nèi)容為空“#0FFH”，則自動跳轉(zhuǎn)到下載引導(dǎo)程序的入口地址為F000H，用于升級或更新PLC系統(tǒng)程序。E000H～EFFFH空間固化了若干個PLC控制范例供實(shí)驗(yàn)時參照。



SM2965片內(nèi)768字節(jié)RAM作為PLC的梯形圖緩沖區(qū)，將源程序用PLC匯編器匯編成PLC目標(biāo)代碼文件，并經(jīng)串行通信口發(fā)送到SM2965，由SM2965將其寫入梯形圖緩沖區(qū)。系統(tǒng)無須配置編程器。

三、系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件包括微控制器軟件和PC機(jī)集成軟件兩部分。為方便系統(tǒng)維護(hù)和升級，微控制器軟件采用C51編寫，對實(shí)時性要求較高的部分使用匯編語言編寫。微控制器軟件主要包括下載引導(dǎo)程序、系統(tǒng)主程序、PLC指令分析程序及串行口中斷程序。下載引導(dǎo)程序僅在系統(tǒng)升級時調(diào)用。微控制器軟件組成如圖3所示。



PLC程序按輸入采樣、執(zhí)行梯形圖程序行及輸出刷新三個階段進(jìn)行周期性的循環(huán)掃描，在輸入采樣時，間隔2ms連續(xù)三次采集P0口狀態(tài)，結(jié)果全相同時為有效，即將其存入輸入緩沖區(qū)，否則重新采樣，以此提高抗干擾能力。執(zhí)行梯形圖程序行時依次讀取PLC運(yùn)行緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，遇到“=”指令時將運(yùn)算結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)。當(dāng)MCU從運(yùn)行緩沖區(qū)讀到“MEND”指令的二進(jìn)制代碼時，表示梯形圖程序結(jié)束，然后將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容一次性輸出到P2口，從而完成輸出端子的刷新。

PLC上位機(jī)軟件如圖4所示，采用Visual C++6.0編寫，主要由串行通信程序和PLC匯編語言匯編器組成，還包括更新范例、裝載范例、裝載指定實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控、模擬仿真、系統(tǒng)升級和在線幫助等輔助模塊。寫完梯形圖源程序后，用PLC匯編器將其匯編成目標(biāo)程序文件（OBJ文件）。選取主菜單裝載指定實(shí)驗(yàn)，再選定相應(yīng)的OBJ文件，該段目標(biāo)代碼即被傳送到PLC運(yùn)行緩沖區(qū)。主菜單上的“更新范例”對應(yīng)于微控制器的“更新指定范例”模塊。調(diào)用更新范例和系統(tǒng)升級命令時需要輸入權(quán)限密碼。



四、應(yīng)用實(shí)例

某送料小車自動控制系統(tǒng)如圖5所示，STa、STb分別為左行和右行限位開關(guān)。小車碰到STa自動停下來裝料，10s后裝料完畢自動開始右行，碰到STb自動停下來卸料，15s后卸料完畢自動往左行，這樣不停地循環(huán)工作，直到按下停止按鈕為止。



輸入：
SBF（右行手動按鈕）：I0.0
SBR（左行手動按鈕）：I0.1
SB1（手動停止按鈕）：I0.2
STa（左行限位）：I0.3
STb（右行限位）：I0.4

輸出：
KMF（左行線圈）：Q0.0
KMR（右行線圈）：Q0.1
裝料：Q0.2
卸料：Q0.3

此例屬于一個被控對象（送料小車）的兩種相反的工作狀態(tài)（左行和右行），所以基本電路采用雙向控制電路，結(jié)合其他控制條件，可以設(shè)計(jì)出小車控制的梯形圖如圖7所示。

圖7 繼電器梯形圖

五、系統(tǒng)特點(diǎn)

根據(jù)PLC的發(fā)展，可在線升級部分或全部系統(tǒng)程序；

可通過I2C總線擴(kuò)展系統(tǒng)功能；

無需配置編程器，使用標(biāo)準(zhǔn)的串行口下載梯形圖程序；

調(diào)用ISP功能把梯形圖范例固化到MCU內(nèi)部FLASH中，具有斷電數(shù)據(jù)保持特性；

對RAM寫操作把梯形圖實(shí)驗(yàn)寫到MCU內(nèi)部EXRAM中，EXRAM擦寫次數(shù)無限；

在實(shí)驗(yàn)中可參考PLC控制范例；

PLC控制范例可以根據(jù)不同專業(yè)要求自行配置；

用于實(shí)際控制時，只需將該梯形圖程序形成的OBJ文件在線裝載到范例1位置；

系統(tǒng)程序具有梯形圖語句翻譯功能，可外接鍵盤/顯示器，PLC可獨(dú)立使用；

通用性強(qiáng)，不局限于某種指令系統(tǒng)，用戶可自行設(shè)計(jì)匯編器；

成本低，器件主要有SM2965、232電平轉(zhuǎn)換器、光電耦合器、穩(wěn)壓塊、接線端子以及幾個電阻和電容。