單片機技術下的嵌入式PLC軟開發探討

任源博

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

PLC軟開發控制系統是單片機應用領域的有機組成部分，并在自動化通信中，以其強抗干擾能力及其一鍵式工藝參數設計，促進了單片機的長遠發展。隨著單片機技術的發展，嵌入式PLC軟開發（Embedded PLC soft development）成為單片機編程接口通信中使用較為廣泛的技術形式之一。不可忽略的是，基于PLC控制系統在單片機中的應用，以其抗干擾措施加速了單片機的發展，并為進一步滿足PLC用戶需求提供了可能。現就單片機技術下的嵌入式PLC軟開發設計分析如下。

1 設計原因

基于單片機PLC控制系統中，受電源波形畸變、電路耦合、輸入元器件觸點抖動、電容性和電感性等諸多干擾因素制約，直接程度上降低了系統開發的性能。究其原因，在PLC控制系統下的GTR（電力晶體管，Giant transistor）、GTO(門級可關斷晶閘管，Gatelevel thyristor can be turned off)等電力半導體器件，本身對諧波、噪聲等干擾易感。同時，受PLC接地點選擇不當或接地不良導致回路公共阻抗發生耦合，產生電流對PLC控制系統產生的干擾。此外，輸入元器件觸點的抖動受現場振動裂變，誤信號而形成干擾。由電容引發的電容性干擾（電容耦合對PLC控制系統產生干擾），干擾源中交變磁場通過干擾對象中的電感性元件耦合成為系統干擾中需要關注的問題。

2 設計目的

嵌入式PLC軟開發系統的設計，是計算機系統參與各類信號處理和控制的顯示。在工農業生產、生產效率提升中起到了助推作用。比之傳統PLC ，在可靠性、體積、資源擴展能力、開放架構、用戶需求上等均得到了大幅度提高。與此同時，還在國民經濟、社會諸多領域中起到了有效的控制效果。

3 設計工序流程

3.1 設計方案選擇

首先，從硬件電路上著手設計，即通過確定合理的硬件設計方案，加強系統的抗干擾能力。設計要點為，抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統的抗干擾能力。其次，從硬件設計角度入手，合理配置相應供電電源，選擇高性能設備、正確接地點、接地方式等有效措施，做好諸環節控制，以達到提高系統抗干擾能力。具體硬件結構如圖1所示。

圖1 嵌入式PLC硬件原理框圖

3.2 抗干擾能力設計

首先，從電源系統上著手，抑制電網引入，加強系統抗干擾能力，采用隔離性能較好的電源。使用環節，將電源與系統動力設備分開配線，利用PLC控制系統的抗干擾能力，提升系統的抗干擾能力。基于系統本身干擾問題，需在PLC控制系統抗干擾基礎上，采用帶屏蔽層的隔離變壓器進行供電，配合接線路濾波器，以有效抑制交直流電流在系統中產生的干擾。接地系統設計上，旨在保障系統安全、抑制干擾。接地方式依照不同情況，選擇浮地、直接接地、電容接地等方式。從適用性來講，直接接地（串聯一點接地式和并聯一點接地式）具有操作簡單、性能影響下、抗干擾能力強的特點。以PLC控制集中系統中，并聯一點接入式為例，適用于各個裝置中柜體中心接地點。以單獨的接地線引向接地極。裝置間距較大者，采用串聯一點接入式接地方式。

3.3 軟件設計

軟件設計方案選擇，是加強單片機PLC控制系統抗干擾能力中與硬件結構設計并重的設計重點。在設計中，需綜合考慮錯誤信號的設計屏蔽，以避免錯誤信號加劇導致的干擾。

具體方法為應用兩個內部定時器，限定PLC控制系統只在該開關正常發信號的時間內采樣。嵌入式軟PLC硬件結構設計中，通過外部輸入開關量——光電隔離后連接到FPGAI／O口（FPGAI/O口分配電路）——FPGA地址譯碼——數據地址總線與CPU（中央處理器，Central Processing Unit / Processor）相連——通過數據地址總線獲得和設置輸入量工作狀態。嵌入式軟PLC的軟件結構設計內容涉及編輯狀態、生產過程應用程序兩大部分。且結構模塊設計中，用以實現程序輸入、編譯、執行和監控。具體模塊間數據傳輸設計流程如表2所示。

圖2 模塊間數據傳輸設計流程

3.4 基于EASY CORE芯片組的嵌入式PLC軟件平臺設計

以EASY CORE的PLC芯片組應用為例，通過加載嵌入式PLC軟件平臺來達到滿足用戶使用目的。在PLC內部結構中，以其混合式高性能單片機，I/O端口，CAN2．0B集成控制器，ADC、PGA和模擬復用開關（ADS1262 具有PGA、內部參考和輔助ADC的高分辨率、32位、38 kSPS ADC），DAC、64KB可 編 程 Flash存 儲 器，RAM、SPI、SMBus/I2C，UART串行接口、通用定時器、可編程計數/定時陣列捕捉/比較模塊、定時器、VDD監視器、溫度傳感器等構建，且能夠耐受-45～+85℃、2．7～3．6V的工作范圍和工作電壓的設計參數，很好地與設計初衷相吻合。

在設計方面，通過設置開關交叉控制寄存器，實現了定時、自動轉換、自動中斷、信號瞬時輸出的效能。實時操作系統控制中，通過加載FX2N PLC，實現了梯形圖語言監控程序、指令系統、通信格式、FX2NPLC等的相互兼容。軟件編程的加載實現了通用組態軟件監控。在用戶驅動開發接口中，以其嵌入式匯編程序、I/O點配置、AD/DA等諸多功能，實現了程序代碼存放地質存儲效能、用戶可使用中斷源、用戶使用區(20H～23H)、尋址寄存器用戶使用區(58H～67H)、外部RAM用戶使用區(3600H～3FFFH)、PLC資源區(輸入位地址范圍為CIO 0 ～CIO 99，輸出位地址范圍為CIO 100 ～ CIO 199)……

3.5 設計可行性分析

單片機技術下的嵌入式PLC軟開發，以其C+、嵌入式系統共享CPU，滿足了系統可靠性PLC和嵌入式的無導線連接，高級功能顯示屏、系統編輯鍵等均可實現對PLC的自如編輯操作。此外，以RT-Linux操作系統的嵌入式PLC設計及實現中，通過其在數控機床中的應用，以其可編程控制器（PLC）實現了對機床開關量信號的有效控制。在工業PC機的數控系統應用中，通過采用開關量I/O板、外接繼電器、主機軟件系統來實現對機床開關的有效控制。通過采用RTLinux操作系統嵌入式PLC，實現了開放性、模塊化和可擴展性的系統結構特性和多線程/多任務的系統環設計效能。

單片機技術下，嵌入式PLC軟開發以其可編程控制效能，在工業控制領域中得到了越來越廣泛的應用。比之常規技術，在設備兼容性、高速計算性能、通信能力上有著顯著的對比效果。

文章就嵌入式PLC軟開發硬件結構和軟件設計進行了分析，在EASY CORE芯片組的嵌入式PLC軟件平臺設計和RT-Linux操作系統的嵌入式PLC設計及實現中，通過其在應用領域的價值，證明了該項設計具有極大的可行性。