基于芯片組的嵌入式PLC于溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要:通過(guò)分析芯片組，對(duì)嵌入式PLC系統(tǒng)的功能及基于芯片組的嵌入式PLC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。運(yùn)用基于芯片組的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)中的控制器，體現(xiàn)了選用CB290芯片組對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:芯片組 嵌入式PLC 控制器 CB290

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(a)-0118-02

1 引言

嵌入式PLC是根據(jù)用戶控制需要定制硬件，能滿足特定的功能要求，靈活方便。利用嵌入式PLC芯片組開(kāi)發(fā)的的PLC產(chǎn)品可以滿足用戶的個(gè)性化需求，節(jié)約成本和縮短周期。為了把握好新興市場(chǎng)先機(jī)，PLC生產(chǎn)廠家利用IT技術(shù)不斷完善其功能，形成嵌入式PLC(如圖1)，現(xiàn)代的PLC不僅能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的順序邏輯的控制，并且具有數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能，集成了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理、網(wǎng)路通信等功能。利用嵌入式PLC芯片組自身所固有的許多優(yōu)越性能，用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，利用芯片組靈活定制嵌入式控制器，從控制器通過(guò)SPI接口接收相應(yīng)的命令后，執(zhí)行相應(yīng)的程序。

2 嵌入式PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

嵌入式PLC以用戶的應(yīng)用為中心，是將PLC系統(tǒng)軟件構(gòu)建于控制器內(nèi)。要想提高整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率，降低應(yīng)用成本，需要不斷加強(qiáng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，解決一些關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能與簡(jiǎn)單操作的有機(jī)結(jié)合。

2.1 開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出

PLC內(nèi)部控制電路是由編程實(shí)現(xiàn)的邏輯電路。實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制是嵌入式PLC系統(tǒng)的基本功能，功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件作用，也要靠軟件的支持。輸入輸出接口將處理好的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶設(shè)備所要求的信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。根據(jù)輸入輸出信號(hào)的類型選擇合適的輸入輸出接口。設(shè)計(jì)中要保持輸入輸出接口有良好的抗干擾能力，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

(1)開(kāi)關(guān)量輸入單元

在PLC的控制系統(tǒng)中，為了達(dá)到一定的抗干擾能力，如圖2中所示，必須按照要求在輸入接口采取相應(yīng)的措施，輸入單元有良好的電隔離和濾波功能，在輸入接口內(nèi)采用光電耦合電路和濾波電路。光電耦合電路，當(dāng)電信號(hào)在電路之間傳遞可以保證電路之間是電器隔離的，濾波電路可以防止干擾。開(kāi)關(guān)量的輸入接口電路要求PLC的輸入信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。交流輸入接口電路如圖3中所示，先將交流轉(zhuǎn)化為直流，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)與直流輸入接口電路基本相同。

(2)開(kāi)關(guān)量輸出單元

開(kāi)關(guān)量輸出設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體情況選擇合適的方案。下面簡(jiǎn)單介紹下繼電器輸入接口電路。如圖4繼電器中需要在芯片組和外部之間增加光電偶爾器，這樣可以使繼電器既是輸出開(kāi)關(guān)器又是隔離器件。同時(shí)要保證有足夠的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的動(dòng)作。

2.2 模擬量的輸入與輸出

模擬量輸入通道是要把被控制對(duì)象的一些相關(guān)過(guò)程參數(shù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理。通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)采集模擬信號(hào)，前置放大，采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。D/A轉(zhuǎn)換器是輸出通道的核心部件，通道任務(wù)將其處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓或電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量要一致，通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)放大電路，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。

2.3 Modbus數(shù)據(jù)通信

采用Modbus協(xié)議通訊時(shí)，每個(gè)控制器需要規(guī)定有自己的設(shè)備地址，能夠通過(guò)設(shè)備地址識(shí)別信息。控制器的傳輸方式模式是ASCII和RTU。這兩種模式對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)都適用。Modicon控制器使用RS232C實(shí)行串行的Modbus。ARTU模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是8位二進(jìn)制字符數(shù)據(jù)通訊，通訊速度比較快，ASCII數(shù)據(jù)處理比SCII簡(jiǎn)單些，通訊速度比較慢。使用SCII可打印字符，對(duì)故障問(wèn)題能及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)通訊方式采用主從方式收發(fā)數(shù)據(jù)，主設(shè)備既可以和從設(shè)備單獨(dú)通訊，也可以和從設(shè)備以廣播方式通訊。其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令時(shí)，從機(jī)只能作出響應(yīng)。要是以單獨(dú)方式通訊，從設(shè)備要響應(yīng)消息，對(duì)于以廣播方式查詢的可以不需要作出響應(yīng)。Modbus設(shè)備通訊使用主從技術(shù)，當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，讀取信息，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤信息就不要發(fā)送任何信息;如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，就執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，將執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。

2.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互部件包括鍵盤、紅外遙控器、LED或LCD顯示。工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作控制。如獨(dú)立按鍵接線原理圖所示的以按鍵輸入為例，人機(jī)交互是人機(jī)交互界面通過(guò)串行接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，發(fā)送按鍵信息或數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)，用戶通過(guò)鍵盤可以方便操作。按鍵的連接方式有獨(dú)立連接式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立連接式鍵盤判健速度快，操作方便，但占I/O口線多。矩陣連接式鍵盤判健速度慢，占I/O口線少。

3 農(nóng)業(yè)溫室控制器的設(shè)計(jì)

3.1 溫控功能需求

溫室控制系統(tǒng)是綜合多方面的技術(shù)，為農(nóng)作物創(chuàng)造適宜的環(huán)境從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。針對(duì)溫室環(huán)境溫濕度控制的需要，設(shè)計(jì)了一種基于芯片組嵌入式系統(tǒng)使用控制器的溫濕度程序控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件使用數(shù)字式溫濕度一體化傳感器，檢測(cè)溫濕度等因素，把一段時(shí)間的溫室環(huán)境設(shè)定溫濕度值存儲(chǔ)在微控制器中，控制器通過(guò)預(yù)定程序?qū)Ω鱾€(gè)相關(guān)因素控制執(zhí)行。

3.2 CUBLOC嵌入式芯片組

溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，對(duì)控制和管理技術(shù)要求不斷提高。一般的溫室系統(tǒng)，傳感器數(shù)量在單區(qū)內(nèi)要求不是很多，8個(gè)傳感器模擬量輸入可滿足。控制設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、控制箱、控制器。驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)由內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)窗系統(tǒng)等組成。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出為32個(gè)可滿足控制要求。經(jīng)過(guò)綜合比較，嵌入式芯片組可選用CUBLOC芯片的CB290型號(hào)，抗干擾性和可靠性較好，使用方便，適合在溫室控制系統(tǒng)中使用。

3.3 溫室控制器的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)溫室控制器要提前對(duì)溫室場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)查，設(shè)計(jì)中利用溫度、濕度等傳感器檢測(cè)溫濕度設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)CB290處理信息并編碼，相關(guān)信息通過(guò)MODBUS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)通信，上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解碼。對(duì)比解碼后的信息，形成控制決策，通過(guò)通訊模塊傳送到控制器。通過(guò)CB290進(jìn)行調(diào)用處理后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)的操作。經(jīng)過(guò)分析溫室控制系統(tǒng)特點(diǎn)，如圖5所示為溫室環(huán)境系統(tǒng)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式PLC比以往的PLC使用更靈活，基于芯片組的嵌入式PLC系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通訊功能。嵌入式PLC在工控領(lǐng)域中能滿足特定的功能要求，成本低，芯片的不斷提高使得適用范圍更廣泛，能更好的滿足用戶個(gè)性化需求，應(yīng)用前景良好。

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