面向應用層嵌入的PLC模塊設計

廣東工業大學自動化學院 吳豪樂 許錦標

1 引言

傳統的PLC采用梯形圖和語句表來使得編程簡便，具有系統軟件開發周期短以及現場調試程序等優點。傳統PLC還存在不能兼容支持I2C、SPI這一類的通訊接口和成本比較高的不足。

針對以上傳統PLC的不足，本文以STM32系列芯片構建PLC模塊硬件系統電路和對軟件模塊設計來設計出嵌入式PLC模塊。采用了模塊化設計的PLC具有體積小、成本低以及能夠實現訪問I2C設備的功能的優點，同時還是采用梯形圖的傳統開發方式，為工程師開發項目提供了一個新的選擇。

2 面向應用層的軟PLC模塊硬件設計

通過分析傳統PLC的工作原理和硬件功能，來設計PLC模塊的硬件系統，其中硬件系統主要組成包括STM32 最小系統、掉電檢測電路、通訊電路、輸入輸出電路以及增加新的I2C通訊接口電路，如圖2.1所示。

圖2.1 嵌入式PLC模塊硬件系統結構

3 面向應用層的軟PLC模塊軟件設計

本節將對嵌入式PLC模塊的軟件部分按實現的功能劃分來進行模塊化設計，如PLC程序的執行、I2C總線通訊以及指令解釋執行，限于篇幅本小節主要講述PLC系統主函數流程、系統中斷處理模塊和指令解釋模塊。

3.1 系統主函數流程

系統的主函數主要完成的任務是對程序進行了一個模塊劃分，執行的過程是一個有序循環掃描的過程，以PLC指令解析函數解析并跳轉到處理函數來處理接收到的數據。如圖3.1所示。

圖3.1 系統主函數流程圖

3.2 中斷處理模塊

系統中斷可以分為：串口接收中斷、定時器中斷、I2C通訊處理中斷和外部掉電檢測中斷，考慮到后期中斷處理隨著數據量的增多，如果定時器中斷優先級高于串口中斷，串口接收中斷會出現掉包現象，所以將串口處理中斷設置為高于定時器中斷，具體中斷優先級如圖3.2和圖3.3所示。

圖3.2 前期系統中斷優先級

圖3.3 后期調試系統中斷優先級

3.3 指令解釋模塊

根據三菱PLC指令占用的字節數特點，可以將其分為單字指令、雙字指令和多字指令。

3.3.1 單字節指令

單字指令用最高四位代表指令，其它位來表示軟元件位置信息。例如在PLC程序中：“LD X0” ；其指令碼為2400H，在C語言中400H表示X0的地址信息，轉換成存放X0數組的索引值，之后再讀出這個值并將其存放在系統的全局變量中。

3.3.2 雙字指令

雙字指令雖然有與單字指令相同的部分，但是由于地址上訪問不到，所以需要增加指令字節長度來訪問地址，例如：“OUT S0”。指令碼為 0005H 8000H；其中，0005 代表OUT 指令，8000H+n 代表 Sn 的地址。

3.3.3 多字指令

多字指令的作用是幫助對一些16位的軟元件完成數據的傳輸，例如：“OUT T0 K10”。

指令碼為0600H 800AH 8000H；其中，600H為 T0 在三菱FX2N 內部的地址，指令含義為當 T0 計數 1000Ms 后， T0 輸出線圈閉合。

4 結束語

在分析傳統PLC工作原理的基礎上，本文通過以STM32F103ZET6的芯片作為中央處理器設計出一款嵌入式軟PLC模塊。其中該模塊本文是將其進行硬件和軟件模塊化設計的，針對傳統PLC的不足，該模塊增加了支持I2C從設備的功能；同時該模塊還具有沒有改變原有梯形圖開發模式和該嵌入式軟PLC模塊成本較傳統PLC成本低的優點，為未來某些控制領域提供了新的控制器的選擇。

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