基于ARM和CAN總線的嵌入式PLC設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)量輸入輸出模塊

開關(guān)量輸入電路的功能是接收工業(yè)現(xiàn)場各種開關(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)對處理器正常工作造成任何影響。

開關(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)場與PLC的CPU電氣隔離，提高抗干擾性。

開關(guān)量輸出電路是嵌入式PLC與外部連接的輸出通道，PLC通過它向外部現(xiàn)場執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。開關(guān)量輸出通常有晶體管輸出和繼電器輸出兩種形式。本設(shè)計(jì)中，開關(guān)量輸出電路采用了13路繼電器輸出，器件選用松樂SRD-24VDC-SL-C，繼電器輸出電路可用于直流負(fù)載，也可用于交流負(fù)載，它特別適合于對動(dòng)作時(shí)間和工作頻率要求不高的場合。其電路圖如圖3所示。D1為穩(wěn)壓二極管1N4148，因?yàn)橹绷骼^電器的線圈在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，這時(shí)需要在繼電器兩極并接一個(gè)1N4148來進(jìn)行快速放電。

2.2 模擬量輸入模塊

模擬量輸入電路的主要功能是把現(xiàn)場測量到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成PLC可以處理的數(shù)字量信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入電路的主要器件，STM32微控制器內(nèi)部含有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，配合信號(hào)調(diào)理電路以及相應(yīng)的控制電路，可以完成模擬量的采樣和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由CPU讀入PLC系統(tǒng)的輸入映像緩沖區(qū)，從而完成對模擬量的采集。

本設(shè)計(jì)中，模擬量輸入電路有8路4～20mA電流輸入。4～20mA直流信號(hào)制是國際電工委員會(huì)(IEC)制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)現(xiàn)場，如果采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后是電壓信號(hào)并且進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)很容易受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場大量采用電流來傳輸信號(hào)。

2.3 CAN總線接口電路

CAN總線是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式，使得CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量理論上幾乎不受限制。然而實(shí)際上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜超過100個(gè)。每一個(gè)嵌入式PLC通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，傳輸距離可達(dá)10km，通信速率高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。由于STM32F103X內(nèi)部已集成CAN總線控制器，因此只需要外接CAN收發(fā)器即可，使得電路更加簡潔而且成本更低，同時(shí)可靠性得以提高。CAN收發(fā)器采用TI公司的SN65HVD230供電電壓為3.3V的CAN總線收發(fā)器，該收發(fā)器采用差分收發(fā)方式，最高速率可達(dá)1Mb/s，具有高抗電磁干擾、CAN總線保護(hù)、斜率控制等特點(diǎn)，電氣連接簡單，使用方便，完全滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的技術(shù)要求。通信接口電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于嵌入式PLC在工業(yè)控制方面的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，選用μC/OS-II操作系統(tǒng)來管理任務(wù)調(diào)度。μC/OS-II是一個(gè)專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信與同步等功能。各任務(wù)之間通過信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換和同步。