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基于ARM和CAN总线的嵌入式PLC设计
可编程逻辑控制器(PLC)，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。随着工业技术的发展以及规模的不断扩大，传统的面临着IO点数增多、通讯功能需要增强等诸多方面的挑战，已无法满足个性化、差异化的需求。
现有的设计主要有工控机、单片机板等。工控机在互连、表达、算法等方面优势明显，但其实时性、稳定性难以满足连续控制的苛刻要求，通常用于监控。单片机系统在成本控制上更加灵活，可是没有操作系统使其只能应用于低端场合。具有嵌入式操作系统的PLC将能结合两者的优点，成为PLC领域的主要研究方向。本文介绍以嵌入式芯片STM32和相结合的方式进行嵌入式PLC设计，并采用μC/OS-II实时操作系统，利用其开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性来达到高实时要求的PLC控制，在保证实时性的同时，实现多点位、复杂功能的PLC系统控制目标。
1&系统总体设计
系统总体设计框图如图1所示。本设计采用ST公司生产STM32F103RCT6作为系统的主处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的&Cortex-M3内核，它集成了两个CAN控制器，并为每个CAN控制器分配了256字节的SRAM，每个CAN控制器有3个发送邮箱和两个接收FIFO。它主要负责采集、处理开关量和模拟量输入，控制开关量输出，同时通过CAN总线完成与上位机的通信。
开关量的输入，为了减少外部开关对系统的干扰，首先在输入端用光电耦合器隔离，再由IO口分别读取12路通道的输入，读取的开关量可以存储在ARM的存储器内。ARM对开关量数据进行处理，一方面通过CAN总线将数据传输到上位机；另一方面将开关状态由LED实时显示输入开关量状态。对于13路的开关量输出，ARM通过CAN总线得到上位机传来的开关量输出数据，并且将数据进行处理，一方面通过控制继电器的锁存器将数据锁存，完成对继电器的开关控制；另一方面将开关状态由LED实时显示输出开关量状态。模拟量的采样则通过信号放大调理电路及相应的控制电路，然后对其进行A/D转换，转换后的数字量读入PLC系统的输入映像缓冲区，从而完成对模拟量的采集。
2&系统硬件设计
2.1&开关量输入输出模块
开关量输入电路的功能是接收工业现场各种开关量信号的输入，并将其转换成符合CPU要求的标准逻辑电平。为提高控制器的抗干扰能力，在开关量输入信号和处理器STM32之间使用光电耦器件TLP521隔离，当开关量输入信号受到干扰时，只要其共模电压低于光耦的最大隔离电压，就不会对处理器正常工作造成任何影响。
开关量输入电路如图2所示。其中X1为输入端，P1为微控制器端口，LED0为输入点的状态指示灯，TLP521为光电耦合器，它实现现场与PLC的CPU电气隔离，提高抗干扰性。
开关量输出电路是嵌入式PLC与外部连接的输出通道，PLC通过它向外部现场执行部件输出相应的控制信号。开关量输出通常有晶体管输出和继电器输出两种形式。本设计中，开关量输出电路采用了13路继电器输出，器件选用松乐SRD-24VDC-SL-C，继电器输出电路可用于直流负载，也可用于交流负载，它特别适合于对动作时间和工作频率要求不高的场合。其电路图如图3所示。D1为稳压二极管1N4148，因为直流继电器的线圈在断开时会产生反向电动势，这时需要在继电器两极并接一个1N4148来进行快速放电。
2.2&模拟量输入模块
模拟量输入电路的主要功能是把现场测量到的模拟量信号转变成PLC可以处理的数字量信号。A/D转换器是模拟量输入电路的主要器件，STM32微控制器内部含有8路10位A/D转换器，配合信号调理电路以及相应的控制电路，可以完成模拟量的采样和转换。转换后的数字量由CPU读入PLC系统的输入映像缓冲区，从而完成对模拟量的采集。
本设计中，模拟量输入电路有8路4～20mA电流输入。4～20mA直流信号制是国际电工委员会(IEC)制定的过程控制系统用模拟信号标准。在工业现场，如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会很容易受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，工业现场大量采用电流来传输信号。
2.3&CAN总线接口电路
CAN总线是一种支持分布式实时控制的串行通信网络，采用对通信数据进行编码的方式，使得CAN总线上的节点数量理论上几乎不受限制。然而实际上，CAN总线上的节点数量不宜超过100个。每一个嵌入式PLC通过CAN总线实现与上位机的通信，传输距离可达10km，通信速率高、可靠性高、抗干扰能力强。由于STM32F103X内部已集成CAN总线控制器，因此只需要外接CAN收发器即可，使得电路更加简洁而且成本更低，同时可靠性得以提高。CAN收发器采用TI公司的SN65HVD230供电电压为3.3V的CAN总线收发器，该收发器采用差分收发方式，最高速率可达1Mb/s，具有高抗电磁干扰、CAN总线保护、斜率控制等特点，电气连接简单，使用方便，完全满足工业级产品的技术要求。通信接口电路如图4所示。
3&系统软件设计
由于嵌入式PLC在工业控制方面的实时性和稳定性要求，选用μC/OS-II操作系统来管理任务调度。μC/OS-II是一个专为嵌入式应用设计，基于优先级调度的抢占式实时操作系统内核，它包含了任务调度、任务管理、时间管理、任务间通信与同步等功能。各任务之间通过信号量、邮箱和消息队列实现相互间的数据交换和同步。
本系统软件部分由下位机控制程序和上位机监控程序两部分组成。前者主要负责读取开关量和模拟量的输入数据，控制开关量输出，并且负责通过CAN总线将数据上传给上位机，以及接收来自上位机的命令；后者则通过人机交互界面来监控嵌入式PLC的状态。系统需要先完成μC/OS-II操作系统的移植，然后利用μC/OS-II操作系统提供的API函数以及ARM微控制器集成开发工具Keil开发嵌入式PLC系统的控制程序。
3.1&下位机软件设计
系统下位机软件采用模块化的设计方法，把整个系统分解为几个功能相对独立的比较小的程序模块，分别对实现各个功能的程序模块进行设计、编程和调试。根据不同模块在系统中的作用，嵌入式操作系统应实现多个不同优先级的控制任务。这些任务按照优先级从高到低分别为：接收计算机控制中心命令；采集和处理数据；发送数据到本地控制中心。系统启动流程图如图5所示。
CAN总线通信程序主要由三部分组成：初始化、发送数据、接收数据。CAN控制器的初始化流程是：首先将ARM中CAN控制器相关的引脚使能，然后对CAN控制器进行复位操作，设置CAN总线的通信波特率，最后初始化CAN控制器的工作模式。初始化之后便可以进行数据的发送与接收。CAN数据发送是将采集到的数据打包成符合CAN发送帧格式后，调用CAN发送数据函数进行发送。数据接收程序是从接收缓冲器读出数据，同时释放接收缓冲器并对数据做出相应处理，本系统中CAN总线数据接收程序采用中断法进行控制。数据发送和接收流程图如图6、图7所示。
3.2&上位机软件设计
上位机主要实现CAN总线通信、显示输入输出端口的状态等功能，可以接收下位机传输过来的数据，也可以发送命令控制下位机的输出。采用VC++6.0开发环境的MFC编程实现上位机界面编程及与嵌入式PLC之间的通信。实现界面如图8所示。
本文给出了基于ARM和CAN总线的嵌入式PLC系统的软硬件设计方法，实现了对12路开入量信号采集；13路开出量输出信号的控制；8路模拟量的采集。具有LED指示开关量状态、远程监控的功能。采用高性能嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统为核心，并使用稳定的工业现场总线，保证了系统的可靠性和实时性，达到了预期的设计要求。
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基于ARM7的PLC手持编程器通信接口设计
　　0 引言
　　可编程是专为工业环境下应用而设计的控制器。手持式编程器是通过专用接口直接连接到，对进行编程和调试，是应用最广泛的编程工具。为了保证手持式编程器可以对整个系统网络中的相关设备进行信息的交换，以及数据通信的可靠性，CAN总线协议的通信是很好的一种方式。
　　S3C44B0X是Samsung公司推出的一款基于TDMI内核的32位RISC处理器，它具有较丰富的片上资源，适合产品的开发，为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。但其不具备CAN总线模块，要使其具备CAN通信的功能，便要对其具体的接口方式进行设计。文章即基于S3C44B0X与CAN控制芯片MCP2510对的设计进行了研究。
　　1 通信硬件接口电路
　　系统当中,与主机之间的通信方式采用CAN总线方式;CAN控制器为MCP2510，它是一个宽电压的器件，可以识别3.3V的电平信号，它还是一个SPI接口的器件。同样，主控芯片S3CA4B0X芯片内置同步串行口(SYNCHRONOUSI/O)模块，他可以和各种需要串行数据总线的外部设备进行连接。这样，只要通过两条线，TXD和RXD就可以对MCP2510进行数据的传输和控制。这时MCP2510作为S3C44B0X的一个从设备，可以将S3C44B0X的SIO接口直接接在MCP2510的SPI接口上。
　　具体连接方式：S3C44B0X的收端脚SIORXD接MCP2510的SO脚;S3C44B0X的发端脚
　　SIOTXD接MCP2510的SI脚;MCP2510的片选信号CS用S3C44B0X的标准I/O口GPF2控制，GPF2置低时选通MCP2510，反之则不选通;由于MCP2510的复位管脚RESET和S3C44B0X的复位管脚nRESET都是低电平有效，因而可以将他们直接接在一起，系统上电自动复位或者手动按键复位;MCP2510的中断请求引脚INT接在S3C44B0X的外部中断ExtINT2上，这样MCP2510在满足一定的条件下就可以向CPU发送中断请求了。收发器采用TJA1050来取代相对传统的PCA82C250，其功能更加完善。MCP2510出来的CAN收与CAN发信号和TJA1050接在一起，从而构成一个完整的CAN总线收发模块。由S3C44B0X、MCP2510和TJA1050构成的CAN收发接口电路如图1所示
　　图1 CAN总线接口电路
　　2 S3C44B0X SIO功能
　　SIO意为同步输入/输出，也是一种串行接口标准，提供了与各种串行外设相连接的接口。当它与各种类型的串行外设接口相连时，该SIO模块能以一定的频率发送和接收8位的串行数据。为了保证数据传输率的可变性，时钟源可选择内部时钟或外部时钟源。
　　在正常工作模式，发送预接收同时进行，用串行I/O接口，8位数据可在串行线被交换。串行输出数据来自一个串行输入引脚SIORxD，通过一个串行输出引脚输出，并同时被串行时钟引脚SIOCK同步。如果使能中断，则传送或接收数据后，将产生SIO中断请求。发送和接收总是同时发生的，如果只想发送数据，则可认为接收数据为空。
　　通过对SIOCON和SBRDR寄存器中相应的位进行适当的设置来控制传送频率。串行接口可被内部时钟或外部时钟操作。如果用内部时钟，则可通过调整波特率数据寄存器的值改变其频率。
　　如要将数据发送给主机时，就应对S3C44B0X的SIO进行相应的配置，对SIO模块编程，应遵循如下步骤：
　　(1) 配置SIOTxD、SIOCLK和SIORxD;
　　(2)设置SIOCON来适当配置串行I/O模块;
　　(3)为了产生中断，设置串行I/O中断允许位，并参考步骤(1)中断控制器;
　　(4)写数据到SIODAT;
　　(5)为了接收/传送数据，在步骤(2)中设置SIOCON[3]来启动数据移位操作;
　　(6)当数据移位操作完成时，SIO中断请求，且SIODAT接收到数据或发送数据或是空数据;
　　(7)返回第(4)步。
　　3 与主机数据传输软件实现
　　(1)MCP2510初始化
　　S3C44B0X与MCP2510的硬件电路连接如图1所示。在要使MCP2510进行正确的收发数据以前要先对其进行正确的初始化配置，其初始化如下：首先置GF2为0，送SIOTXD复位指令0x30，其次复位GPF2并进行延时，再送SIOTXD&写指令&代码0x02，设置MCP2510为配置模式;在此模式下设置通信所需的波特率，设置发送/接收寄存器，最后使MCP2510进入正常工作模式。正确配置以后，MCP2510就可以按照需要进行数据的传输了。
　　(2)数据发送
　　的所有程序数据都以二进制的形式存放于存储器当中，要将这些数据传输到主机可采用顺序传输的方式;由于MCP2510对于发送数据，可以设定优先级别;在发送起始帧SOF之前，器件将所有等待发送报文的发送缓冲器的优先级进行比较，具有较高优先级的发送缓冲器将首先发送;所以还可以按照需要设置需要传输数据优先级别，采用按不同优先级别进行数据传输的方式。如果发送缓冲器0的优先级设定比发送缓冲器1高，缓冲器0将首先发送。如果两个缓冲器的优先级相同，编号较高的发送缓冲器将优先发送。如果发送缓冲器1与发送缓冲器0的优先级设定相同，缓冲器1将优先发送。发送优先级的设定共有4个等级。如果某个发送缓冲器的TXBNCTRL.TXP&1:0&设定为11，该发送缓冲器具有最高的发送优先级。如果TXBNCTRL.TXP&1:0&设定为00，该发送缓冲的发送优先级最低。
　　向主机发送数据流程图如图2所示。在发送数据时，首先要判断的是CAN总线是否空闲，如遇总线正忙时，则采取小段延时后不断请求的方式，直到总线空闲。由于，CAN总线上挂接有多个接点，每个接点的发送信息的报文头代码不同，当主机判断是其所需要接收的数据以后会返回一个准备好接收的信息，这时就可以向主机传输用户编写好的程序代码数据了;当所有数据传输完毕以后，则停止发送并返回到一般工作模式。
　　(3)数据接收
　　MCP2510具有两个全文接收缓冲器和一个报文集成缓冲器(MAB)作为接收缓冲器。在三个接收缓冲器中，MAB总能够接收来自总线的下一条报文。其余两个接收缓冲器(RXB0和RXB1)则从协议引擎接收完整的报文。当其中一个缓冲器处于接收等待或保存着上一条接收到的报文时，MCU可对另一缓冲器进行访问。
　　当报文传送至某一接收缓冲器，与该接收缓冲器对应的CANTF.RXNIF位将置1。一旦缓冲器中的报文处理完毕，MCU就必须将该位清除以接收下一条报文。该控制位提供的锁定功能确保在MCU尚未处理完上一条报文前，MCP2510不会将新的报文载入接收缓冲器。如果ANINTE.RXNIE位被置1，器件会在INT 引脚产生一个中断, 显示接收到有效报文。而且，一旦报文被验收，MAB中所有的内容将传送到接收缓冲器。这表明无论标识符为何种类型或接收到多少字节的数据，整个接收缓冲器都将被MAB的内容所改写。因此，在接收任何报文后，必须断定接收缓冲器中所有寄存器的内容都被修改了。
　　如图1所示，在电路设计上，将接收缓冲器满引脚RX0BF和RX1BF这两个引脚通过发光二极管与高电平相连，INT引脚与S3C44B0X的外部中断6相连;那么，INT引脚在多种情况下可向MCU 提出中断请求。这时RX0BF和RX1BF可用来显示有效报文是否分别载入RXB0或RXB1。当有有效报文载入时，RX0BF和RX1BF这两个引脚就会产生一个低电平信号，这是发光二极管就会点亮;这样就可以很清楚、直观的判断出是否有效报文被载入RXB0和RXB1寄存器。
　　跟发送数据一样，接收数据也同样可以设定优先级别;RXB0 是具有较高优先级的寄存器,并配置2 个报文验收滤波寄存器。RXB1优先级较低，配置有4个验收寄存器。RXB0的验收滤波寄存器数量较少，因此RXB0接受匹配条件更为严格，表明RXB0具有较高的优先级。MCP2510接收数据的工作如下：首先，复位MCP2510，送SIOTXD&写指令&代码0x02，并按需要设置屏蔽滤波器，启动接收;在启动接收以后，判断所接收到的报文是否有效，如为无效报文则丢弃并返回;如为有效报文，则判断其是否符合载入条件，符合条件则载入，不符合则丢弃;完成以上工作后返回。
　　接收数据跟发送数据一样，同样需要判断是否是自己应该接收的数据信息，如果不是则丢弃;如果是，继续判断是否符合载入条件，符合条件则进行载入，不符合则丢弃。接收数据流程图如图3所示。
　　4 结论
　　本文的创新点：对传统的手持式编程器采用RS-232的进行了改进;实现了在S3C44B0X的控制下与主机通过CAN总线进行数据传输的接口方式。由于采用了MCP2510这样的带有SPI协议的模块，使其占用数据、地址总线资源大大减少;它所提供的中断引脚也使整个系统的灵活性提高;这也使整个系统设计变得简单，并使整个系统处理速度大大提高。经实验表明由S3C44B0X扩展CAN总线，使得数据传输更加可靠、抗干扰能力大大增强。
[整理编辑：中国测控网]
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All Rights Reserved 版权所有基于收发信号工作模式的软PLC数据交互方法--《计算机工程与设计》2014年02期
基于收发信号工作模式的软PLC数据交互方法
【摘要】：为了改善软逻辑可编程逻辑控制器(软PLC)系统可预测性不高的问题,提出一种可预测性高的工作模式。该方法抛弃了传统PLC循环扫描的工作模式,运用跨平台的C++图形用户界面应用程序框架Qt,实现了PLC以收发信号模式交互数据。系统中数据的更新将触发信号,相应模块则该接收信号并实时更新。测试结果表明,该模式不仅执行时间可预测性比传统模式高3个数量级以上,还可以减少由于循环带来的CPU消耗。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TP273【正文快照】：
0引言设备实时性不强一直是阻碍软PLC在工业控制领域推广应用的关键问题[1]。工业上提高系统实时性的关键在于提高操作系统的实时性,如开发实施内核[2]或者对现有系统进行实时性扩展[3],但此类方法大都成本高,且实现复杂。前人对PLC的研究采用的都是基于共享内存的循环扫描工
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京公网安备74号基于Windows的软PLC研究与开发--《上海交通大学》2010年硕士论文
基于Windows的软PLC研究与开发
【摘要】：具有功能完善、优良编辑系统的PLC是高档数控系统的重要组成部分，基于PC和通用操作系统软PLC是新一代PLC的发展方向，可以进一步提高数控系统的灵活性和开放性。
本文首先通过研究传统硬件PLC的结构和工作原理，设计了软PLC的软件结构，分析了软PLC的数据流程，对Windows下软PLC的实时性需求的满足进行了研究。
基于C++和MFC技术，在VC++6.0集成开发环境下实现了梯形图编辑系统的设计，给用户提供一个方便的梯形图程序编写环境。开发了指令表编译模块，能够将指令表程序转化为目标代码以便软PLC运行系统解释执行。
研究了软PLC运行系统的工作原理，分析了运行系统各组成模块的功能和工作过程，并对实时多任务系统之间的同步与通信进行了研究，设计了软PLC运行系统的数据存储结构，实现了软PLC运行系统的开发。
对软PLC的寻址方式，基本指令的工作过程，对功能指令中定时器和计数器指令的工作原理进行了研究，设计开发了软PLC的指令系统。
开发的基于Windows+RTX的软PLC系统已用于国家高档数控机床及基础制造装备重大专项中的全数字高档数控系统原型机中的测试及应用。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TP273;TP316.7【目录】：
摘要6-7ABSTRACT7-10第一章 绪论10-17 1.1 课题背景10-14
1.1.1 开放式软件数控的发展10-12
1.1.2 软PLC的兴起12-13
1.1.3 软PLC实现数控系统逻辑控制13-14 1.2 国内外研究现状14-15
1.2.1 国外研究现状14-15
1.2.2 国内研究现状15 1.3 研究意义15-16 1.4 课题来源和研究内容16-17第二章 软PLC的总体设计17-27 2.1 传统PLC研究17-19
2.1.1 传统PLC的结构17-18
2.1.2 传统PLC的工作原理18-19 2.2 数控系统结构与数据流分析19-21
2.2.1 数控系统软件结构19-21
2.2.2 数控系统的数据流分析21 2.3 软PLC软件结构的设计21-24
2.3.1 软PLC开发系统22-23
2.3.2 软PLC运行系统23-24
2.3.3 软PLC数据流程24 2.4 Windows下软PLC实时性的实现24-26 2.5 本章小结26-27第三章 梯形图编辑和指令表编译的实现27-38 3.1 梯形图编辑模块27-34
3.1.1 数据结构的设计27-31
3.1.2 编辑模块的实现31-32
3.1.3 梯形图的绘制32-33
3.1.4 梯形图的编辑与存储33-34 3.2 指令表编译模块34-37
3.2.1 编译模块的整体设计34-35
3.2.2 数据结构的设计35-36
3.2.3 编译模块的具体实现36-37
3.2.4 编译转化实例37 3.3 本章小结37-38第四章 软PLC运行系统的实现38-64 4.1 软PLC运行系统的工作过程38-39 4.2 软PLC运行系统的组成39-42
4.2.1 系统管理模块39-40
4.2.2 任务执行模块40-41
4.2.3 I/O模块41-42 4.3 多任务系统的同步与通信42-45
4.3.1 优先级设定方式42-43
4.3.2 IPC对象方式43-45 4.4 运行系统数据存储的设计45-49
4.4.1 指令数据结构45-46
4.4.2 程序存储区46-47
4.4.3 数据存储区47-48
4.4.4 结果寄存器48-49 4.5 运行系统指令库的设计49-59
4.5.1 软PLC指令系统49-52
4.5.2 软PLC寻址方式52-53
4.5.3 基本指令的工作过程53-56
4.5.4 典型功能指令的实现56-59 4.6 运行系统的测试59-62
4.6.1 PLC的运行测试平台59-60
4.6.2 软PLC指令性能测试60-62 4.7 软PLC在GSK27i的验证62-63 4.8 本章小结63-64第五章 总结64-66参考文献66-69致谢69-70攻读学位期间发表的学术论文70
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