基于AR嘞CAN總線的嵌入式PLC設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)PLC低成本，個(gè)性化的社會(huì)需求，提出一種嵌入式PLC設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)討論了系統(tǒng)的總體構(gòu)成以及軟、硬件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)采用ARM作為主控芯片，以CAN總線作為主要通信接口，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，能夠滿足基本的工業(yè)應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；ARM；嵌入式系統(tǒng)；CAN總線

0 前言
可編程邏輯控制器(PLC)，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬輸入／輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)
程，是工業(yè)控制的核心部分。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的PLC面臨著IO點(diǎn)數(shù)增多、通訊功能需要增強(qiáng)等諸多方面的挑戰(zhàn)，已無(wú)法滿足個(gè)性化、差異化的需求。
現(xiàn)有的設(shè)計(jì)主要有工控機(jī)、單片機(jī)板等。工控機(jī)在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求，通常用于監(jiān)控。單片機(jī)系統(tǒng)在成本控制上更加靈活，可是沒(méi)有操作系統(tǒng)使其只能應(yīng)用于低端場(chǎng)合。具有嵌入式操作系統(tǒng)的PLC將能結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為PLC領(lǐng)域的主要研究方向。本文介紹以嵌入式芯片STM32和CAN總線相結(jié)合的方式進(jìn)行嵌入式PLC設(shè)計(jì)，并采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用其開(kāi)放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性來(lái)達(dá)到高實(shí)時(shí)要求的PLC控制，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、復(fù)雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用ST公司生產(chǎn)STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，它集成了兩個(gè)CAN控制器，并為每個(gè)CAN控制器分配了256字節(jié)的SRAM，每個(gè)CAN控制器有3個(gè)發(fā)送郵箱和兩個(gè)接收FIFO。它主要負(fù)責(zé)采集、處理開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入，控制開(kāi)關(guān)量輸出，同時(shí)通過(guò)CAN總線完成與上位機(jī)的通信。

開(kāi)關(guān)量的輸入，為了減少外部開(kāi)關(guān)對(duì)系統(tǒng)的干擾，首先在輸入端用光電耦合器隔離，再由IO口分別讀取12路通道的輸入，讀取的開(kāi)關(guān)量可以存儲(chǔ)在ARM的存儲(chǔ)器內(nèi)。ARM對(duì)開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；另一方面將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸入開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。對(duì)于13路的開(kāi)關(guān)量輸出，ARM通過(guò)CAN總線得到上位機(jī)傳來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸出數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面通過(guò)控制繼電器的鎖存器將數(shù)據(jù)鎖存，完成對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)控制；另一方面將開(kāi)關(guān)狀態(tài)由LED實(shí)時(shí)顯示輸出開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。模擬量的采樣則通過(guò)信號(hào)放大調(diào)理電路及相應(yīng)的控制電路，然后對(duì)其進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量讀入PLC系統(tǒng)的輸入映像緩沖區(qū)，從而完成對(duì)模擬量的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊
開(kāi)關(guān)量輸入電路的功能是接收工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入，并將其轉(zhuǎn)換成符合CPU要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。為提高控制器的抗干擾能力，在開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)和處理器STM32之間使用光電耦器件TLP521隔離，當(dāng)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)受到干擾時(shí)，只要其共模電壓低于光耦的最大隔離電壓，就不會(huì)對(duì)處理器正常工作造成任何影響。
開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖2所示。其中X1為輸入端，P1為微控制器端口，LED0為輸入點(diǎn)的狀態(tài)指示燈，TLP521為光電耦合器，它實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。