嵌入式PLC高速脈沖輸出的研究與實現

張帆，高紅亮，尹歡歡

（湖北師范學院, 湖北黃石 435002）

嵌入式PLC高速脈沖輸出的研究與實現

張帆，高紅亮，尹歡歡

（湖北師范學院, 湖北黃石 435002）

本文介紹了基于C8051F020單片機的嵌入式PLC的高速脈沖輸出功能的開發。靈活運用C8051F020內部提供的可編程計數器陣列（PCA）模塊實現了PLC高速脈沖輸出功能。

嵌入式PLC C8051F020 高速脈沖輸出

0 引言

在自動化技術迅速發展的今天，自動化設備在工業生產中得到普及。工業生產中的許多自動化設備都要求精確控制，可靠定位。自動化生產線上的點位控制系統、運動控制系統，以及步進電機、伺服電機的控制都需具要有高速脈沖輸出功能的設備來驅動，實現精確控制。專用的高速脈沖輸出設備價格昂貴，且功能沒有針對性。采用單片機控制，不僅要開發軟件系統，還要設計硬件電路，而且還要考慮在工業現場中抗干擾問題。可編程序控制器（PLC）具有抗干擾能力強、可靠性高、體積小等優點，是專為工業環境而設計的電子系統[1]。因此，本文采用具有嵌入式操作系統的PLC來開發高速脈沖輸出功能。

1 嵌入式PLC簡介

嵌入式PLC是用單片機來控制，用梯形圖來編程的芯片組。本文所設計的嵌入式PLC是建立在EASYCORE操作系統平臺之上的。該系統內核可實現實時任務調度，梯形圖語言的解釋和執行，以及通信等功能，并且留出了可二次開發驅動程序的接口[2]。

嵌入式芯片組的PLC兼容三菱FX2N梯形圖指令和編程軟件。通過梯形圖、指令表可以實現數據運算、邏輯順序控制、特殊控制等功能，可以滿足數字量控制、模擬量控制，以及CANBUS、RS485等網絡通信的需要。此外，嵌入式PLC芯片組使用的MCU為C8051F020單片機，C8051F020內部豐富的資源如PCA、SPI、I2C等功能都可以通過編寫二次開發程序加載到實時操作系統中。

2 高速脈沖輸出功能的設計

2.1 高速脈沖輸出功能簡介

脈沖控制要用到脈沖信號，一般小型PLC都具有高速脈沖輸出功能，如西門子的S7-200、三菱FX2N等都可以提供多個高速脈沖輸出端口[3]。通過梯形圖中脈沖參數的設置，結合具體的

2.2 硬件設計

高速輸出頻率較高，因此需要選用晶體管輸出型。晶體管型輸出電路如圖（1）所示，輸出的高速脈沖信號由內部電路發出，經光電耦合器送給輸出晶體管，晶體管的飽和和截止狀態相當于觸點的接通和斷開。穩壓二極管是作用是防止過電壓和浪涌電壓，保護晶體管。

2.3 軟件設計

2.3.1 C8051F020高速輸出簡介

C8051F020單片機內部有一個可編程計數器/定時器陣列（PCA）。PCA包括一個專用的16位計數器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊。每個捕捉/比較模塊都有自己的I/O線（CEXn）， 可以通過數字交叉開關配置到相應的單片機引腳。計數器/定時器由一個可編程的時基信號驅動，時基信號有6個時鐘源：系統時鐘/12、系統時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統時鐘和外部振蕩源頻率/8。每個捕捉/比較模塊可以獨立地工作在一下6種工作方式之一：邊沿觸發捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM和16位PWM[4]。C8051F020提供的增強定時器功能與標準8051的定時器/計數器相比，它所需的CPU干預更少。

下面就本文用到的高速輸出方式的基本原理做簡要介紹。

在高速輸出方式下，通過改變相應模塊的16位捕捉/比較寄存器（PCA0CPHn和PCA0CPLn）內的值可以使輸出脈沖的寬度或頻率發生變化。每當PCA的16位計數器與模塊的16位捕捉/比較寄存器值相等時，CEXn引腳就會發生電平轉換。與此同時，如果捕捉/比較模塊控制寄存器PCA0CPMn中的CCFn位被置“1”，則可以進入PCA的中斷程序，在中斷程序中更新PCA0CPHn和PCA0CPLn的值來設置下一次匹配時刻。這樣，通過計算設置PCA0CPHn和PCA0CPLn內的數值就可以控制輸出脈沖的頻率和脈沖寬度。所產生脈沖的頻率由公式（1）給出。

其中，Fout為CEXn引腳輸出的脈沖頻率。Fpca是由PCA方式寄存器PCA0MD選擇的PCA時鐘的頻率。本文程序中選用的時基信號的時鐘源為系統時鐘，即Fpca=24 MHZ。△n是連續兩次匹配16位捕捉/比較寄存器的差值。輸出頻率變化的脈沖時，△n也是變化的。

由公式（1）可以看出，△n直接決定輸出脈沖頻率的大小。如圖2，假設捕捉/比較寄存器的初值為n1，PCA計數器從0開始計數，當計數到n1時發生匹配，電平翻轉，進入中斷程序。在中斷程序中我們需要將捕捉/比較寄存器的值設置為n2。其中n2=n1+△n，n3=n2+△n……以此類推，每一次進中斷都要對捕捉/比較寄存器重新賦值，這樣才能保證輸出準確的脈沖頻率。

2.3.2 高速脈沖輸出所占用的PLC資源

多段脈沖輸出時需要設定每段脈沖的起始頻率f（占用2個字節）、頻率改變量△f（有符號數，為負表示頻率依次減小，占用2個字節）、以及脈沖數（占用四字節），脈沖數的范圍為0～232-1。段的起始地址存放在數據寄存器D5860中，起始地址存放脈沖段數，然后按照段的順序依次將各段脈沖參數存入起始地址之后的連續D寄存器區。M1006為高速脈沖啟動輔助繼電器[5]。

2.3.3 嵌入式PLC高速脈沖輸出設計原理

芯片組為用戶二次開發設計了七個用戶程序嵌入接口，本文程序設計用到其中的2個接口：USER_CONFIG、USER_SCAN。USER_CONFIG為用戶I/O配置程序入口，此段程序會在內核重新上電后調用一次。高速脈沖輸出端口在這里通過數字交叉開關配置到單片機相應引腳。USER_SCAN為用戶演算周期掃描程序，所有梯形圖執行完后，即調用該程序，PCA模塊的初始化和△n值的更新放在此段程序中。嵌入式PLC輸出高速脈沖流程圖如圖3所示。

PLC上電運行后，如果梯形圖中相應的高速脈沖輸出標志位被置位，即M1006=1，則在執行用戶演算周期程序時會初始化PCA模塊輸出高速脈沖，如果M1006被復位，則立即停止脈沖輸出，PCA高速輸出方式被禁止。

在PCA中斷程序中，需要對匹配值更新，同時對脈沖進行計數。當脈沖數達到設定值后繼續輸出下一段脈沖串或結束脈沖輸出任務。PCA中斷服務流程如圖4所示。

3 功能測試

3.1 輸出頻率測試

為驗證高速方式輸出脈沖頻率的準確性，比較示波器觀測值與理論計算值，得出結果如表1所示。

通過表1數據比較可以看出，實際輸出頻率與理論值相差很小，符合設計要求。

當設定的輸出脈沖頻率為整數時，實際輸出頻率與理論值基本一致。經過試驗，當設定輸出脈沖頻率非整數時，實際輸出頻率的準確性會降低。

3.2 梯形圖功能測試

其他各段脈沖參數須依次裝入相應的寄存器中。通過示波器觀察，可明顯看出脈沖寬度的變化過程。經測試，各段脈沖滿足要求。

4 結束語

本文基于嵌入式PLC，研究具有高速輸出功能的PLC。通過對C8051F020單片機PCA模塊的運用，實現了嵌入式PLC的高速脈沖輸出功能。結合計算與實驗觀察，驗證了功能的可行性。應用嵌入式PLC開發設計高速輸出功能降低了開發難度和成本，是一種經濟、有效的方法。

[1] 王永華．現代電氣控制及PLC應用技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，2008．

[2] 向前進，周純杰，龔云生．嵌入式PLC的高速脈沖計數開發[J]．計算技術與自動化，2006,25(4)：47-50．

[3] 宋伯生. PLC編程實用指南[M].北京:機械工業出版社, 2006.

Implementation of High-Speed Pulse Output of Embedded PLC

Zhang Fan，Gao Hongliang，Yin Huanhuan
(Hubei Normal University, Huangshi 435002, Hubei, China)

This article describes the development of high-speed pulse output function of embedded PLC based on C8051F020. The high-speed pulse output function of PLC is implemented by using the internal programmable counter array (PCA) module provided by C8051F020 flexibly.

embedded PLC; C8051F020; high-speed pulse output

TP23

A

1003-4862（2014）03-0062-03

2013-09-15

湖北師范學院2012年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號：201210513027)。

張帆（1990-），男，工學學士，研究方向:電氣工程及其自動化。控制要求，可以輸出一段或多段脈沖信號。本文設計的PLC高速脈沖可以實現多段脈沖輸出。