四十多年來，PLC已成為實現工業控制的中堅力量。它的功能不斷完善，應用領域不斷擴大，對于工業控制技術的進步與社會發展所發揮的作用無可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主導了工控行業數十年。PLC雖然有著它固有的優勢，但面對客戶需求的不斷變化，PLC要想生存，就必須突破傳統模式，積極求新求變以適應新的市場發展。而具有低成本優勢的嵌入式PLC，正好能夠滿足這一需求。所謂嵌入式PLC是指采用SoC嵌入式片上系統芯片和嵌入式實時操作系統實現PLC功能，并能用IEC61131-3的標準編程語言編程的PLC.隨著高性能的ARM嵌入式微處理器的發展，筆者設計了新一代微型嵌入式PLC.本文介紹了嵌入式PLC的體系結構，包含其硬件設計和軟件設計方案。

1 嵌入式PLC的硬件結構設計

　　1.1 微控制器芯片的選取

　　CPU是PLC的核心，它能夠識別用戶按照特定的格式輸入的各種指令，并按照指令的規定，根據當前的現場I/O信號的狀態，發出相應的控制指令，完成預定的控制任務。本設計選用的是Philips公司生產的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持實時仿真和跟蹤的CPU芯片，它帶有256kB嵌入的高速Flash存儲器，16kB片內SRAM.LPC2294采用144腳封裝、具有極低的功耗以及多達112個通用I/O口，9個邊沿或電平觸發的外部中斷引腳，最大為60MHz的工作晶振，多個32位定時器，PWM單元，實時時鐘和看門狗，轉換時間低至2.44μs的8通道10位ADC、4路高級CAN接口，另外具有2路UART（16C550），高速I2C（400kbit/s）及2路SPI總線。LPC2294豐富的硬件資源和完善的功能使這款微控制器特別適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線等場合。

　　1.2 硬件系統的整體結構

　　本系統以ARM芯片LPC2294為CPU，設計為14路PNP型輸入、10路繼電器輸出的基本模式。硬件總體結構包括：

　　電源及復位模塊、ARM微控制器、Flash存儲器擴展模塊、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS485接口及CAN接口通信模塊等。系統的結構如圖1所示。

　　1.2.1開關量輸入輸出接口電路

　　圖2所示為一路開關量輸入圖。此部分電路前端為R、C組成的一階濾波電路，防止外部干擾信號進入系統中。輸入端外接的輸入控制開關信號（直流24V）通過輸入點10.0經限流電阻輸入到光電耦合器（PC816）的輸入端，M為輸入點10.0~10.7的公共輸入端。因P0.23口被設置為輸入模式且口線內部無上拉電阻，所以需要外接上拉電阻，防止口線懸空。當10.0輸入端為24V時，光電耦合器中的光敏二極管導通，光敏晶體管輸出端被拉為低電平，指示該路輸入狀態的LED被點亮，P0.23被置為低電平。當CPU訪問該路信號時，將該輸入點對應的輸入過程映像寄存器的值置為1.10.0輸入端為0V時，P0.23為高電平，當CPU訪問該路信號時，則將該輸入點對應的輸入過程映像寄存器的值置為0.其余各個輸入點所對應的電路及工作原理均相同。

　　圖3所示為繼電器輸出模塊圖，圖中并聯在繼電器線圈兩端的二極管這里起續流作用。該模塊的工作原理如下：當內部輸出過程映像寄存器為1時，LPC2294端口P1.16輸出0，光敏晶體管導通，繼電器線圈得電，輸出點接通；反之當內部輸出過程映像寄存器為0時，端口P1.16輸出1，繼電器線圈失電，輸出點斷開。

　　需要注意的是，當LPC2294的GPIO口初上電時，其輸出端口（如本圖中的P1.16）的電壓不穩定，這樣易導致外部繼電器誤動作而引起外部設備工作不穩定。為此，我們設計了圖4電路用來提高繼電器輸出的穩定性。

　　這是一個由NE555定時器組成的單穩態電路，其中VCC5.0D端接圖3中光電耦合器的集電極。其工作原理為：系統上電初始，2、6管腳電平不能突變，保持為低電平。分析NE555的內部電路可知，此時輸出端3管腳輸出高電平，電路開始對R、C電路進行充電，隨著時間的推移，管腳2、6的電平不斷升高，當升至23VCC時，輸出端3管腳將翻轉至低電平，使三極管導通，VCC5.0D輸出5V.這樣，系統上電后經過一段時間，I/O口的電平穩定下來之后，光電耦合器才得電開始工作。暫穩態的持續時間tW取決于外接電阻R和電容C的大小。tW等于電容電壓在充電過程中從0上升到23VCC所需要的時間，即

　　1.2.2模擬量輸入電路設計

　　先通過電阻R66，將現場傳感器輸出的電流信號轉換為0~5V電壓信號進行采集。考慮到抗干擾及對微處理器電路的保護，在轉換電路的輸出端加了線性光耦HCNR201.硬件電路如圖5所示。

　　1.2.3串行通訊接口電路設計

　　為了能與其它工業控制產品兼容，我們設計時采用了RS-485接口標準。為了將TTL電平轉換成RS485電平，選用了SP485E收發器。SP485E芯片的數據傳輸速率可高達10Mbps，其最大的特點是在為發送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護電路。接口電路如圖6所示。

2 嵌入式PLC的軟件系統設計

　　嵌入式PLC的軟件分為運行系統軟件和開發系統軟件兩部分。運行系統負責對整個系統的管理和對用戶程序的編譯執行，并保存所有的數據，完成與外界通訊。開發系統面對用戶，完成對PLC程序的編輯和轉換。

　　2.1 PLC運行系統軟件

　　該系統負責為應用程序分配內存，把該應用程序加載到分配好的內存里，然后開始執行該程序的指令。如果該程序要求位于底層的操作系統提供服務，該運行系統還必須負責處理有關的服務請求。該運行系統是基于嵌入式操作系統μC/OS-II來開發的，選用嵌入式操作系統提高了軟件系統的抗干擾性，系統的可靠性及應用軟件的開發效率，縮短了開發周期。μC/OS-II的移植的主要工作是修改與ARM處理器相關部分的代碼，它們集中在3個文件中。

　　①OS_CPU.H文件該文件包含了用#define定義的與處理器相關的常量、宏和類型定義。文件中這些數據類型的定義如下：

　　typedefunsignedcharBOOLEAN;

　　typedefunsignedcharINT8U;

　　typedefsignedcharINT8S;

　　typedefunsignedshortINT16U;

　　typedefsignedshortINT16S;

　　typedefunsignedintINT32U;

　　typedefsignedintINT32S;

　　typedeffloatFP32;

　　typedefdoubleFP64;

　　typedefunsignedintOS_STK;

　　與ARM7體系結構相關的一些定義如下：

　　#defineOS_CRITICAL_METHOD2

　　__swi（0×00）voidOS_TASK_SW（void）；

　　__swi（0×01）void_OSStartHighRdy（void）；

　　__swi（0×02）voidOS_ENTER_CRITICAL（void）；

　　__swi（0×03）voidOS_EXIT_CRITICAL（void）；_

　　_swi（0×40）void*GetOSFunctionAddr（intIndex）；

　　__swi（0×41）void*GetUsrFunctionAddr（intIndex）；

　　__swi（0×42）voidOSISRBegin（void）；

　　__swi（0×43）intOSISRNeedSwap（void）；

　　__swi（0×80）voidChangeToSYSMode（void）；

　　__swi（0×81）voidChangeToUSRMode（void）；

　　__swi（0×82）voidTaskIsARM（INT8Uprio）；

　　__swi（0×83）voidTaskIsTHUMB（INT8Uprio）；

　　/*上述函數需在移植文件OS_CPU.H中將其聲明。

　　*/#defineOS_STK_GROWTH1

　　此代碼段中的OS_ENTER_CRITICAL（）函數和OS_EXIT_CRITICAL（）函數實現打開和關閉處理器的功能。　　②OS_CPU_C.C文件該文件中的任務棧結構初始化函數OSTaskStkInit（），必須根據移植時統一定義的任務堆棧結構進行初始化。另外還有9個系統規定的鉤子函數必須聲明，但可以不包含任何代碼，這些鉤子函數在本移植中全為空函數。

　　③OS_CPU_A.S文件的移植共包括4個函數：多任務啟動函數中調用的OSStartHighRdy（）、任務切換函數OSCtxSw（）、中斷任務切換函數OSIntCtxSw（）、時鐘節拍服務函數OSTickISR（）。

　　至此整個μC/OS-II內核移植完成。以后的用戶程序都是在這個基礎上進行的擴充。

　　2.2 PLC開發系統軟件

　　該系統的主要任務是讓用戶編寫PLC程序，所以還需要設計與該系統相對應的編程平臺。編程平臺的設計主要包括編程界面的設計、編輯器的設計、轉換模塊的設計、編譯器的設計和通信模塊的設計等。軟件系統結構圖如圖7所示。

　　用戶在編程平臺里編寫PLC程序。這里借用FX系列PLC的編程軟件SWOPC-FXGP/WIN-C作為編程平臺，編程語言可以使用梯形圖和指令表。然后通過轉換程序把編譯后的目標文件轉化成C語言。轉換程序其實就是一個解釋系統，通過逐條翻譯編程軟件的指令表，生成和處理器指令系統無關的用戶指令。使用這樣的方式作為上位機編程平臺，節省了工作量。

3 系統測試

　　將所設計的PLC軟件系統植入基于LPC2294的嵌入式開發平臺，與PLC輸入輸出硬件接口板連接，構成14輸入10輸出的PLC系統。在上層開發系統中編寫相應的PLC梯形圖，編譯后加載到嵌入式PLC的運行系統中。梯形圖如圖8所示。

圖8 梯形圖

　　按下開關0，相應的LED0被點亮，延時4秒后LED1被點亮。按下開關1，相應的LED2被點亮，同時LED0被熄滅。

　　由以上的測試效果可以看出原型機的測試結果與理論分析結果相同，所設計的PLC控制系統硬件、軟件及μCOS-II操作系統的移植達到了期望的控制效果，達到了設計要求。

4 結束語

　　本文針對目前普通PLC存在的一些不足，提出了一種基于LPC2294的嵌入式PLC設計方案。該嵌入式PLC的硬件、軟件、通信等各方面的功能設計靈活，易于剪裁，更貼近各種檔次的機電設備的要求。該PLC完全基于嵌入式系統的技術基礎，拿來就可以用，且SOC芯片、嵌入式操作系統、符合IEC61131-3編程語言標準編程環境等在市場上很容易找到，因此該嵌入式PLC在我國市場的使用和推廣前景十分可觀。