輕量級(jí)PLC硬件設(shè)計(jì)

山東交通學(xué)院 趙天懷 胡冠山

設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的輕量級(jí)PLC控制器。本文主要論述控制器的通訊電路及模擬量電路，包括485通訊電路、CAN通訊電路、以太網(wǎng)通訊電路設(shè)計(jì)和模擬量混合輸入/輸出電路設(shè)計(jì)與仿真。

PLC因其編程方便，控制穩(wěn)定可靠，抗干擾能力出色被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合，但是在小規(guī)模生產(chǎn)場(chǎng)合中使用PLC卻又存在價(jià)格高貴、維護(hù)成本高等問題。針對(duì)上述問題，本文采用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種適用于小規(guī)模控制場(chǎng)合的輕量級(jí)PLC控制器。

1 主控單元通訊模塊

1.1 RS485通訊電路

RS485是工控領(lǐng)域最常用的通訊接口之一。采用平衡發(fā)送和差分接收的方式，邏輯電平為兩信號(hào)線間的電壓差，其中2V～6V為高電平，-2V～-6V為低電平，差分接收的方式大大增強(qiáng)了485總線的抗擾動(dòng)能力。此外，一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)的多點(diǎn)通訊方式是485總線在工控領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的另一重要原因。其缺點(diǎn)是為半雙工工作方式，收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。圖1所示為RS485電路原理圖。

圖1 RS485電路原理圖

圖中U10數(shù)字隔離芯片與J10光耦器件實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)與485網(wǎng)絡(luò)之間的電氣隔離。電平轉(zhuǎn)換芯片使用SN653082E實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镽S485的A，B總線之間的電平差非常小，所以使用上拉電阻R7將總線A的電平上拉至電源電壓，下拉電阻R8將總線B的電平拉低，從而保證在通訊的過程中A，B總線不會(huì)因電平差太低而導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤。與此同時(shí)，輸出端使用雙向TVS二極管保護(hù)內(nèi)部電路免受浪涌脈沖的沖擊。

在PCB布線時(shí)，因485總線兩線間為差分信號(hào)，布線時(shí)AB兩線應(yīng)盡量靠近、平行等長(zhǎng)布線，以減少來自外界環(huán)境的干擾。

1.2 以太網(wǎng)通訊電路

本文以太網(wǎng)通訊電路采用CH395Q。其自帶10/100M的MAC層和物理層，完全兼容IEEE802.3的10/100M協(xié)議，內(nèi)置了IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太網(wǎng)協(xié)議棧固件。CH395支持三種通訊接口：8位并口、SPI接口或者異步串口。其硬件電路如圖2所示。

圖2 CH395原理圖

本文采用SPI通訊接口。P1為RJ45端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，RJ45未使用的引腳，通過75歐姆電阻對(duì)地接1000P/2KV電容。U13為網(wǎng)絡(luò)變壓器，將單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電氣隔離，并起到阻抗匹配等作用。網(wǎng)絡(luò)變壓器中心抽頭接3.3V，未使用引腳同樣通過75歐姆電阻下拉電阻對(duì)地接1000P/2KV電容，屏蔽干擾信號(hào)。R59為以太網(wǎng)信號(hào)調(diào)節(jié)電阻，可選12-18K的電阻。

PCB布線時(shí)，R50-R53，C51，C52應(yīng)盡量靠近TS6121C芯片的第5腳。網(wǎng)絡(luò)變壓器TXOP（RXIP）引腳與TXON(RXIN)引腳輸出差分信號(hào)，布線時(shí)應(yīng)靠近平行等長(zhǎng)走線，并在兩側(cè)覆銅，減少來自外界的干擾。晶振元件應(yīng)盡量縮短信號(hào)線長(zhǎng)度，并在附件布置地線或者覆銅。

1.3 CAN總線通訊電路

圖3所示為CAN通訊電路原理圖。電平轉(zhuǎn)換芯片使用TJA1050T，其具有高速（默認(rèn)）和靜音兩種工作方式，因默認(rèn)的高速模式擁有較好的EMC性能，故通過將8號(hào)引腳接地的方式將工作模式設(shè)定為高速工作模式。與485電路相同，使用數(shù)字隔離芯片U30將CAN和單片機(jī)電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，DR30和DR31使CAN收發(fā)器免受外部瞬態(tài)電壓的干擾。

圖3 CAN通訊電路

2 模擬量擴(kuò)展模塊

2.1 電壓電流混合輸出電路

圖4所示為電壓電流混合輸出電路原理圖，電路以LM321運(yùn)算放大器和三極管為核心器件，由圖中虛線出分開，分別輸出電壓和電流。電阻R40和R42進(jìn)行分壓保證光耦器件的速率，兩級(jí)RC低通濾波器濾除頻率大于f=1/ 2πRC=15.9Hz的高頻干擾，電阻R50起高阻輸入和限流的作用，OP6同向放大器將電壓放大3倍。

圖4 電壓電流混合輸出電路原理圖

恒流輸出端通過三極管T4的基極電流控制運(yùn)放的反饋輸入從而做到恒流輸出，輸出可通過調(diào)整反饋電阻的阻值進(jìn)行調(diào)整。輸入電阻和反饋電阻應(yīng)選用具有低溫漂特性的精密電阻器件，以保證輸入輸出具有清晰的線性關(guān)系。

2.2 電壓電流混合輸入電路

圖5所示為電壓電流混合輸入電路原理圖，電路以LM321運(yùn)算放大器為核心器件，圖中左側(cè)為電壓采集電路原理圖，右側(cè)為電流采集電路原理圖。

圖5 電壓電流混合輸入電路原理圖

電壓采集電路由分壓電路和兩級(jí)運(yùn)算放大器電路組成。前級(jí)差分運(yùn)放用來抑制溫漂，其輸出電壓為：

后級(jí)放大器為電壓跟隨器，利用其高輸入電阻、低輸出電阻的特點(diǎn)隔離負(fù)載對(duì)輸入端的影響。仿真電路如圖6左圖所示。

圖6 電壓電流混合輸入電路仿真電路

電流采集電路同樣由兩級(jí)運(yùn)算放大器組成。電阻R22和R29將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓作為運(yùn)算放大器的同向輸入電壓，前級(jí)放大器輸出端電壓為：

后級(jí)運(yùn)算放大器同樣為電壓跟隨器，隔離輸入與輸出。仿真電路如圖6右圖所示。

結(jié)論：本文介紹了基于STM32微型控制器的硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括微控制器的485通訊、以太網(wǎng)通訊、CAN通訊電路和電壓電流混合輸入、輸出電路。詳細(xì)介紹了各個(gè)電路的器件選型，電路原理以及部分電路的仿真結(jié)果。設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路可為輕量級(jí)控制器的發(fā)展提供參考。

基金項(xiàng)目：山東省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于云計(jì)算的城市交通瓶頸與區(qū)域路網(wǎng)協(xié)同控制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2017B96）。