基于STM32的嵌入式PLC的設計

廣東工業大學 黃偉鑫

1 引言

采用嵌入式PLC的方式去設計系統，能夠提高開發速度，對于用戶的個性化需求可以進行靈活的設計，這樣就可以達到定制的效果[1]。同時，也可以增強小型控制系統的設計和應用能力，更貼近客戶需求的個性差異化設計要求。用戶可以自己選擇合適的硬件來組成滿足要求的嵌入式PLC。

2 硬件結構的設計

本系統是在對三菱FX系列PLC的充分研究其硬件結構和工作原理的基礎上設計的嵌入式PLC。選用STM32F103ZET6為核心處理器，最高達72MHz的時鐘速度，1.25DMips/MHz，512K字節的閃存程序存儲器 ，64KB RAM，LQFP-144腳封裝,還有其他模塊電路輔助完成相應的功能[2]。嵌入式PLC系統搭建的硬件電路框架圖如圖1所示。采用RS232和RS485通信協議，不僅可以用于程序下載，而且可以用于基本數據的訪問。

圖1 硬件電路框架圖

圖2 程序結構框圖

其中，下載電路模塊是給STM32F103ZET6芯片下載固化程序用，而對于最終PLC程序的下載則是通過串口通訊模塊完成。由于STM32F103ZET6芯片上有3個12位模數轉換器和2通道12位D/A轉換器，所以模擬量輸入使用芯片內部的A/D轉換電路，無須外擴芯片；8路A/D為12位ADC逐次逼近型模擬數字轉換器；2路D/A為12位數字輸入電壓輸出的D/A轉換器。使用6N137芯片和PWM脈寬調制波形的方法進行脈沖設計。

3 軟件方面的設計

嵌入式PLC軟件設計主要分為兩部分設計[3]。第一部分為梯形圖程序下載設計，該部分主要是遵循FX2N型PLC的通訊協議，實現基本數據訪問以及程序下載功能。第二部分為PLC程序解釋執行設計，程序先從內置Flash中取PLC指令，然后判斷是何種指令，若是END指令則直接跳出程序，否則執行相應的程序。

采用Keil軟件進行編程，C語言作為程序開發工具，將系統程序主要分為主芯片配置模塊、輸入輸出模塊、定時計數模塊、串行通信模塊。通過對每一個模塊進行設計和調試，最后進行系統程序的整體調試[4]。系統程序結構框圖如圖2所示

3.1 梯形圖程序下載

當梯形圖程序下載時，嵌入式PLC會完成與上位機的相互識別，等待程序下載到嵌入式系統中，然后把程序寫入到嵌入式PLC中。此時，嵌入式PLC需要對接收的數據進行處理，校驗完后對錯誤的數據信息刪除，之后對操作碼和操作數的數據存儲起來[5]。

3.2 梯形圖程序的解釋執行

嵌入式PLC工作于梯形圖程序解釋執行時，需要Memory的初始化，I/O的初始化和中斷的初始化，然后載入X值，將輸入值映像到寄存器中，即輸入掃描，接著進行指令執行，對每一條指令進行判斷，判斷該指令是否是END指令，如果不是，則要對每一條指令進行解釋執行，解釋執行完當前指令后繼續取下一條指令并解釋執行，如此循環不斷。如果是，則進入輸出刷新，輸出Y值。

4 結束語

本文從硬件和軟件兩個方面對嵌入式PLC系統進行了分析，根據三菱FX系列PLC的工作原理及功能，完成了嵌入式PLC的設計。與傳統 PLC 相比較，該嵌入式PLC能夠解決傳統PLC成本高、兼容性差、通用性差等問題，嵌入式 PLC 不僅能支持梯形圖開發，而且沒有增加工程師的開發難度。同時，系統集成了通信功能，可以滿足不同的工業控制需求，為未來某些工控領域的特定場合控制器的選擇提供了新的選擇。

[1]陳輝,李堅強,裴海龍,等．基于梯形圖語言的軟PLC技術研究與實現[J]．微型計算機信息,2006．

[2]王曉光．嵌入式PLC的設計與研究[D]．成都∶西華大學,2013．

[3]李雪蓮．嵌入式PLC的設計及通信功能的擴展[J]．電子設計工程,2015(17)∶168-171,174．

[4]嚴奎．嵌入式PLC編程軟件開發[J]．工業控制計算機,2012,25(10)∶67-70．

[5]李冠軍．基于Cortex-M3的嵌入式PLC設計和開發[D]．天津工業大學,2013．