基于芯片組的嵌入式PLC于溫控系統的設計

摘 要:通過分析芯片組，對嵌入式PLC系統的功能及基于芯片組的嵌入式PLC系統的開發過程中的關鍵技術進行了探討。運用基于芯片組的嵌入式系統設計方法，開發農業溫室控制系統中的控制器，體現了選用CB290芯片組對控制器進行設計的優勢。

關鍵詞:芯片組 嵌入式PLC 控制器 CB290

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0118-02

1 引言

嵌入式PLC是根據用戶控制需要定制硬件，能滿足特定的功能要求，靈活方便。利用嵌入式PLC芯片組開發的的PLC產品可以滿足用戶的個性化需求，節約成本和縮短周期。為了把握好新興市場先機，PLC生產廠家利用IT技術不斷完善其功能，形成嵌入式PLC(如圖1)，現代的PLC不僅能實現開關量的順序邏輯的控制，并且具有數字運算和數據處理等功能，集成了計算機的運算和處理、網路通信等功能。利用嵌入式PLC芯片組自身所固有的許多優越性能，用戶可以根據實際系統的需要，利用芯片組靈活定制嵌入式控制器，從控制器通過SPI接口接收相應的命令后，執行相應的程序。

2 嵌入式PLC應用開發的關鍵技術

嵌入式PLC以用戶的應用為中心，是將PLC系統軟件構建于控制器內。要想提高整個系統的執行效率，降低應用成本，需要不斷加強系統軟件設計，解決一些關鍵問題，實現強大功能與簡單操作的有機結合。

2.1 開關量的輸入與輸出

PLC內部控制電路是由編程實現的邏輯電路。實現各種邏輯控制是嵌入式PLC系統的基本功能，功能的實現不僅基于硬件作用，也要靠軟件的支持。輸入輸出接口將處理好的輸出信號轉換成用戶設備所要求的信號驅動外部負載。根據輸入輸出信號的類型選擇合適的輸入輸出接口。設計中要保持輸入輸出接口有良好的抗干擾能力，確保系統運行可靠。

(1)開關量輸入單元

在PLC的控制系統中，為了達到一定的抗干擾能力，如圖2中所示，必須按照要求在輸入接口采取相應的措施，輸入單元有良好的電隔離和濾波功能，在輸入接口內采用光電耦合電路和濾波電路。光電耦合電路，當電信號在電路之間傳遞可以保證電路之間是電器隔離的，濾波電路可以防止干擾。開關量的輸入接口電路要求PLC的輸入信號是數字信號。交流輸入接口電路如圖3中所示，先將交流轉化為直流，其內部電路結構與直流輸入接口電路基本相同。

(2)開關量輸出單元

開關量輸出設計需要根據具體情況選擇合適的方案。下面簡單介紹下繼電器輸入接口電路。如圖4繼電器中需要在芯片組和外部之間增加光電偶爾器，這樣可以使繼電器既是輸出開關器又是隔離器件。同時要保證有足夠的電流來驅動繼電器的動作。

2.2 模擬量的輸入與輸出

模擬量輸入通道是要把被控制對象的一些相關過程參數轉換成計算機可以接收的數字量信號，以便計算機進行分析和處理。通過多路模擬開關采集模擬信號，前置放大，采樣保持和模/數轉換，然后通過計算機對數字信號進行處理。D/A轉換器是輸出通道的核心部件，通道任務將其處理后的數字信號轉換成模擬量的電壓或電流信號，轉換過程中待轉換的數字量要一致，通過設置驅動放大電路，驅動執行機構工作。

2.3 Modbus數據通信

采用Modbus協議通訊時，每個控制器需要規定有自己的設備地址，能夠通過設備地址識別信息?？刂破鞯膫鬏敺绞侥Ｊ绞茿SCII和RTU。這兩種模式對于標準的標準的Modbus網絡都適用。Modicon控制器使用RS232C實行串行的Modbus。ARTU模式傳輸的數據是8位二進制字符數據通訊，通訊速度比較快，ASCII數據處理比SCII簡單些，通訊速度比較慢。使用SCII可打印字符，對故障問題能及時進行檢測。

Modbus協議需要對數據進行校驗，數據通訊方式采用主從方式收發數據，主設備既可以和從設備單獨通訊，也可以和從設備以廣播方式通訊。其它設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。當主機發送命令時，從機只能作出響應。要是以單獨方式通訊，從設備要響應消息，對于以廣播方式查詢的可以不需要作出響應。Modbus設備通訊使用主從技術，當通訊命令發送至儀器時，符合相應地址碼的設備接通訊命令，讀取信息，如果出現錯誤信息就不要發送任何信息;如果沒有出現錯誤信息，就執行相應的任務，將執行結果返送給發送者。

2.4 人機交互

人機交互部件包括鍵盤、紅外遙控器、LED或LCD顯示。工作人員可以在現場對某個節點進行操作控制。如獨立按鍵接線原理圖所示的以按鍵輸入為例，人機交互是人機交互界面通過串行接口與控制系統進行交互，發送按鍵信息或數據給控制系統，用戶通過鍵盤可以方便操作。按鍵的連接方式有獨立連接式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立連接式鍵盤判健速度快，操作方便，但占I/O口線多。矩陣連接式鍵盤判健速度慢，占I/O口線少。

3 農業溫室控制器的設計

3.1 溫控功能需求

溫室控制系統是綜合多方面的技術，為農作物創造適宜的環境從而提高產量和質量。針對溫室環境溫濕度控制的需要，設計了一種基于芯片組嵌入式系統使用控制器的溫濕度程序控制系統。該系統硬件使用數字式溫濕度一體化傳感器，檢測溫濕度等因素，把一段時間的溫室環境設定溫濕度值存儲在微控制器中，控制器通過預定程序對各個相關因素控制執行。

3.2 CUBLOC嵌入式芯片組

溫室作為設施農業的重要組成部分，對控制和管理技術要求不斷提高。一般的溫室系統，傳感器數量在單區內要求不是很多，8個傳感器模擬量輸入可滿足?？刂圃O備包括計算機、控制箱、控制器。驅動/執行機構由內外遮陽系統、風機系統、開窗系統等組成。開關量輸入/輸出為32個可滿足控制要求。經過綜合比較，嵌入式芯片組可選用CUBLOC芯片的CB290型號，抗干擾性和可靠性較好，使用方便，適合在溫室控制系統中使用。

3.3 溫室控制器的總體結構

設計溫室控制器要提前對溫室場地進行調查，設計中利用溫度、濕度等傳感器檢測溫濕度設定的標準值。通過CB290處理信息并編碼，相關信息通過MODBUS網絡發送到上位機通信，上位機將收到的數據信息進行解碼。對比解碼后的信息，形成控制決策，通過通訊模塊傳送到控制器。通過CB290進行調用處理后，控制執行機構執行相關的操作。經過分析溫室控制系統特點，如圖5所示為溫室環境系統控制器硬件結構設計圖。

4 結語

隨著控制技術的不斷發展，嵌入式PLC比以往的PLC使用更靈活，基于芯片組的嵌入式PLC系統具有更強的通訊功能。嵌入式PLC在工控領域中能滿足特定的功能要求，成本低，芯片的不斷提高使得適用范圍更廣泛，能更好的滿足用戶個性化需求，應用前景良好。

參考文獻

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