嵌入式PLC高速脈沖輸出的研究與實現(xiàn)

張帆，高紅亮，尹歡歡

（湖北師范學(xué)院, 湖北黃石 435002）

嵌入式PLC高速脈沖輸出的研究與實現(xiàn)

張帆，高紅亮，尹歡歡

（湖北師范學(xué)院, 湖北黃石 435002）

本文介紹了基于C8051F020單片機的嵌入式PLC的高速脈沖輸出功能的開發(fā)。靈活運用C8051F020內(nèi)部提供的可編程計數(shù)器陣列（PCA）模塊實現(xiàn)了PLC高速脈沖輸出功能。

嵌入式PLC C8051F020 高速脈沖輸出

0 引言

在自動化技術(shù)迅速發(fā)展的今天，自動化設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中得到普及。工業(yè)生產(chǎn)中的許多自動化設(shè)備都要求精確控制，可靠定位。自動化生產(chǎn)線上的點位控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)，以及步進電機、伺服電機的控制都需具要有高速脈沖輸出功能的設(shè)備來驅(qū)動，實現(xiàn)精確控制。專用的高速脈沖輸出設(shè)備價格昂貴，且功能沒有針對性。采用單片機控制，不僅要開發(fā)軟件系統(tǒng)，還要設(shè)計硬件電路，而且還要考慮在工業(yè)現(xiàn)場中抗干擾問題。可編程序控制器（PLC）具有抗干擾能力強、可靠性高、體積小等優(yōu)點，是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的電子系統(tǒng)[1]。因此，本文采用具有嵌入式操作系統(tǒng)的PLC來開發(fā)高速脈沖輸出功能。

1 嵌入式PLC簡介

嵌入式PLC是用單片機來控制，用梯形圖來編程的芯片組。本文所設(shè)計的嵌入式PLC是建立在EASYCORE操作系統(tǒng)平臺之上的。該系統(tǒng)內(nèi)核可實現(xiàn)實時任務(wù)調(diào)度，梯形圖語言的解釋和執(zhí)行，以及通信等功能，并且留出了可二次開發(fā)驅(qū)動程序的接口[2]。

嵌入式芯片組的PLC兼容三菱FX2N梯形圖指令和編程軟件。通過梯形圖、指令表可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算、邏輯順序控制、特殊控制等功能，可以滿足數(shù)字量控制、模擬量控制，以及CANBUS、RS485等網(wǎng)絡(luò)通信的需要。此外，嵌入式PLC芯片組使用的MCU為C8051F020單片機，C8051F020內(nèi)部豐富的資源如PCA、SPI、I2C等功能都可以通過編寫二次開發(fā)程序加載到實時操作系統(tǒng)中。

2 高速脈沖輸出功能的設(shè)計

2.1 高速脈沖輸出功能簡介

脈沖控制要用到脈沖信號，一般小型PLC都具有高速脈沖輸出功能，如西門子的S7-200、三菱FX2N等都可以提供多個高速脈沖輸出端口[3]。通過梯形圖中脈沖參數(shù)的設(shè)置，結(jié)合具體的

2.2 硬件設(shè)計

高速輸出頻率較高，因此需要選用晶體管輸出型。晶體管型輸出電路如圖（1）所示，輸出的高速脈沖信號由內(nèi)部電路發(fā)出，經(jīng)光電耦合器送給輸出晶體管，晶體管的飽和和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點的接通和斷開。穩(wěn)壓二極管是作用是防止過電壓和浪涌電壓，保護晶體管。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 C8051F020高速輸出簡介

C8051F020單片機內(nèi)部有一個可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊。每個捕捉/比較模塊都有自己的I/O線（CEXn）， 可以通過數(shù)字交叉開關(guān)配置到相應(yīng)的單片機引腳。計數(shù)器/定時器由一個可編程的時基信號驅(qū)動，時基信號有6個時鐘源：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源頻率/8。每個捕捉/比較模塊可以獨立地工作在一下6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM和16位PWM[4]。C8051F020提供的增強定時器功能與標(biāo)準(zhǔn)8051的定時器/計數(shù)器相比，它所需的CPU干預(yù)更少。

下面就本文用到的高速輸出方式的基本原理做簡要介紹。

在高速輸出方式下，通過改變相應(yīng)模塊的16位捕捉/比較寄存器（PCA0CPHn和PCA0CPLn）內(nèi)的值可以使輸出脈沖的寬度或頻率發(fā)生變化。每當(dāng)PCA的16位計數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器值相等時，CEXn引腳就會發(fā)生電平轉(zhuǎn)換。與此同時，如果捕捉/比較模塊控制寄存器PCA0CPMn中的CCFn位被置“1”，則可以進入PCA的中斷程序，在中斷程序中更新PCA0CPHn和PCA0CPLn的值來設(shè)置下一次匹配時刻。這樣，通過計算設(shè)置PCA0CPHn和PCA0CPLn內(nèi)的數(shù)值就可以控制輸出脈沖的頻率和脈沖寬度。所產(chǎn)生脈沖的頻率由公式（1）給出。

其中，F(xiàn)out為CEXn引腳輸出的脈沖頻率。Fpca是由PCA方式寄存器PCA0MD選擇的PCA時鐘的頻率。本文程序中選用的時基信號的時鐘源為系統(tǒng)時鐘，即Fpca=24 MHZ。△n是連續(xù)兩次匹配16位捕捉/比較寄存器的差值。輸出頻率變化的脈沖時，△n也是變化的。

由公式（1）可以看出，△n直接決定輸出脈沖頻率的大小。如圖2，假設(shè)捕捉/比較寄存器的初值為n1，PCA計數(shù)器從0開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到n1時發(fā)生匹配，電平翻轉(zhuǎn)，進入中斷程序。在中斷程序中我們需要將捕捉/比較寄存器的值設(shè)置為n2。其中n2=n1+△n，n3=n2+△n……以此類推，每一次進中斷都要對捕捉/比較寄存器重新賦值，這樣才能保證輸出準(zhǔn)確的脈沖頻率。

2.3.2 高速脈沖輸出所占用的PLC資源

多段脈沖輸出時需要設(shè)定每段脈沖的起始頻率f（占用2個字節(jié)）、頻率改變量△f（有符號數(shù)，為負表示頻率依次減小，占用2個字節(jié)）、以及脈沖數(shù)（占用四字節(jié)），脈沖數(shù)的范圍為0～232-1。段的起始地址存放在數(shù)據(jù)寄存器D5860中，起始地址存放脈沖段數(shù)，然后按照段的順序依次將各段脈沖參數(shù)存入起始地址之后的連續(xù)D寄存器區(qū)。M1006為高速脈沖啟動輔助繼電器[5]。

2.3.3 嵌入式PLC高速脈沖輸出設(shè)計原理

芯片組為用戶二次開發(fā)設(shè)計了七個用戶程序嵌入接口，本文程序設(shè)計用到其中的2個接口：USER_CONFIG、USER_SCAN。USER_CONFIG為用戶I/O配置程序入口，此段程序會在內(nèi)核重新上電后調(diào)用一次。高速脈沖輸出端口在這里通過數(shù)字交叉開關(guān)配置到單片機相應(yīng)引腳。USER_SCAN為用戶演算周期掃描程序，所有梯形圖執(zhí)行完后，即調(diào)用該程序，PCA模塊的初始化和△n值的更新放在此段程序中。嵌入式PLC輸出高速脈沖流程圖如圖3所示。

PLC上電運行后，如果梯形圖中相應(yīng)的高速脈沖輸出標(biāo)志位被置位，即M1006=1，則在執(zhí)行用戶演算周期程序時會初始化PCA模塊輸出高速脈沖，如果M1006被復(fù)位，則立即停止脈沖輸出，PCA高速輸出方式被禁止。

在PCA中斷程序中，需要對匹配值更新，同時對脈沖進行計數(shù)。當(dāng)脈沖數(shù)達到設(shè)定值后繼續(xù)輸出下一段脈沖串或結(jié)束脈沖輸出任務(wù)。PCA中斷服務(wù)流程如圖4所示。

3 功能測試

3.1 輸出頻率測試

為驗證高速方式輸出脈沖頻率的準(zhǔn)確性，比較示波器觀測值與理論計算值，得出結(jié)果如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)比較可以看出，實際輸出頻率與理論值相差很小，符合設(shè)計要求。

當(dāng)設(shè)定的輸出脈沖頻率為整數(shù)時，實際輸出頻率與理論值基本一致。經(jīng)過試驗，當(dāng)設(shè)定輸出脈沖頻率非整數(shù)時，實際輸出頻率的準(zhǔn)確性會降低。

3.2 梯形圖功能測試

其他各段脈沖參數(shù)須依次裝入相應(yīng)的寄存器中。通過示波器觀察，可明顯看出脈沖寬度的變化過程。經(jīng)測試，各段脈沖滿足要求。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式PLC，研究具有高速輸出功能的PLC。通過對C8051F020單片機PCA模塊的運用，實現(xiàn)了嵌入式PLC的高速脈沖輸出功能。結(jié)合計算與實驗觀察，驗證了功能的可行性。應(yīng)用嵌入式PLC開發(fā)設(shè)計高速輸出功能降低了開發(fā)難度和成本，是一種經(jīng)濟、有效的方法。

[1] 王永華．現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2008．

[2] 向前進，周純杰，龔云生．嵌入式PLC的高速脈沖計數(shù)開發(fā)[J]．計算技術(shù)與自動化，2006,25(4)：47-50．

[3] 宋伯生. PLC編程實用指南[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2006.

Implementation of High-Speed Pulse Output of Embedded PLC

Zhang Fan，Gao Hongliang，Yin Huanhuan
(Hubei Normal University, Huangshi 435002, Hubei, China)

This article describes the development of high-speed pulse output function of embedded PLC based on C8051F020. The high-speed pulse output function of PLC is implemented by using the internal programmable counter array (PCA) module provided by C8051F020 flexibly.

embedded PLC; C8051F020; high-speed pulse output

TP23

A

1003-4862（2014）03-0062-03

2013-09-15

湖北師范學(xué)院2012年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(項目編號：201210513027)。

張帆（1990-），男，工學(xué)學(xué)士，研究方向:電氣工程及其自動化。控制要求，可以輸出一段或多段脈沖信號。本文設(shè)計的PLC高速脈沖可以實現(xiàn)多段脈沖輸出。