引言

可編程邏輯控制器(PLC)以其高可靠性和使用方便的特性.使其在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。隨著工廠自動化的進展，對PLC之間以及PLC同其他控制設備之間相互聯(lián)系的要求也相應提高。由于PLC的通訊方式為串行通訊，受通訊方式的制約，傳統(tǒng)的PLC(即外掛式PLC)難以勝任微機和PLC都必須參與實時控制和控制功能較為復雜的系統(tǒng)。當輸入/輸出點數多時，PLC體積會隨點數的增多而增大，安裝不太方便。此外，目前國內因沒有自己的品牌，在應用PLC的場合仍多選用國外產品，品牌多，成本高，因此研制符合實際應用需求的國產化新型PLC系統(tǒng)及其通用開發(fā)平臺具有重要意義和應用前景。

為了提高速度，降低成本，可采用虛擬式PLC，即把PLC上的CPU和存儲器等部件由微機的軟件虛擬實現(xiàn)，再配合普通的開關量I/O卡實現(xiàn)對電氣開關的控制。但此方案因主機要直接參與控制邏輯的運算過程，占用了主機的部分工作時間，會導致整機速度下降。另外，把過多的功能集中到主機使主機發(fā)生故障的風險加大。因此，本文給出一種嵌入式PLC的設計方案，它可以看作是一種智能型I/O接口卡，在不增大系統(tǒng)體積的同時，使通訊速度大幅度提升，故障風險相對分散。

1 嵌入式PLC的硬件結構設計

嵌入式PLC是利用PC機開放式、模塊化和可嵌入的特點，以及成熟的硬件及豐富的軟件資源，尤其是開放式的PC總線而設計的。本項目總的設計思想是:設計一個嵌入式PLC卡，它可以插到主機底板的插槽上，因該卡直接與主機底板總線相連，通訊速度可以大大提高。卡上自帶CPU，用以處理開關信號，開關邏輯處理不占用PC主機的時間，其輸出經外接繼電器以控制開關設備的開啟與關閉、導通或截止。其軟/硬件的分配是合理的，能有效解決PLC與主機通信和協(xié)調工作的問題，較好地滿足控制系統(tǒng)實時性的要求。

嵌入式PLC是一個完全獨立于PC機的完整的計算機系統(tǒng)，其硬件組成如圖1所示，主要由單片機最小系統(tǒng)、程序存儲模塊、通訊模塊及輸入輸出模塊組成。嵌入式PLC的CPU采用了ATMEL公司推出的AT89S51單片機，該單片機是低功耗的、具有4KB在線可編程FLASH存儲器。圖1中雙口存儲器(雙口RAM)用于完成PC主機與嵌入式PLC之間信息的交換，與采用并行口的方案相比，該方法簡潔明了，無需復雜的通訊協(xié)議，PC主機可以隨時了解外部設備開關狀態(tài)而不需額外消耗時間，效率高于其他實現(xiàn)方式。目前，工控機的底板總線有兩類:ISA總線和PCI總線。ISA總線的數據轉輸速率比PCI總線要低得多，但已完全能夠滿足一般工業(yè)控制的需要，而且ISA總線對工控機擴展卡的要求比PCI要寬松。從已有的工業(yè)應用經驗看，ISA總線可靠性也比較高，因此仍選擇ISA總線做為嵌入式PLC設計的基礎。此外，圖1中包括一片靜態(tài)RAM芯片6264，主要用于存儲PLC梯形圖程序。在工控PC主機中對電氣控制邏輯進行編程，編譯后經雙口RAM存入6264中，PLC運行這部分程序以完成電氣控制。

圖1 嵌入式PLC的硬件結構簡圖

1.1 通訊模塊的設計

PC主機與嵌入式PLC卡之間可以采用并行口進行數據傳輸。這種通訊方式實現(xiàn)起來比較簡單，成本低廉，一般又能滿足大多數場合對速度的要求，目前己得到廣泛的應用。另外，為了保證可靠地進行數據傳輸，通常在硬件設計上還要考慮握手信號。通訊雙方進行應答的過程中，速度較快的一方將受另一方的制約。在通訊量比較大的情況下，這種交互過程將浪費相當多的CPU時間。因此在信息量比較大的場合，運用并行口進行通訊就受到限制。此外，還可以采用共用存儲器的方法進行信息傳輸，它可以達到更高的傳輸速度。傳統(tǒng)的共用存儲器硬件設計比普通的并行口復雜得多，應用范圍較小。最近幾年出現(xiàn)的雙口RAM芯片內含總線仲裁電路，提供兩套相互獨立的控制、地址和數據總線，可以大大簡化共用存儲器電路設計，使其應用日益增多。因此，在此采用雙口RAM進行數據傳輸。嵌入式PLC卡通訊部分的設計如圖2所示。

圖2 嵌入式PLC卡通訊部分原理圖

在圖2中，IDT7132為IDT公司生產的雙端口RAM芯片，容量2K字節(jié)，它有兩套完全相同的地址、數據和控制總線，內部含有總線仲裁電路，允許兩側總線同時對它進行讀寫操作。當兩側同時對該芯片的同一單元進行讀寫時，內部仲裁電路會根據兩側讀寫控制信號微小的時間差，判決一側正常讀寫，同時在另一側給出BUSY信號(低有效)，表示不能正常完成讀寫，它可用作等待信號來擴展讀寫周期，以保證正確讀寫。

圖2中AT-BUS為PC機底板總線，也可稱作ISA總線。雖然在通用PC行業(yè)，ISA有被其他更高速率的總線如PCI等替代的趨勢，但高速率的總線同時也提高了對外圍擴展線路板的要求，使可靠性有所降低，而且ISA總線己能滿足絕大多數工控系統(tǒng)對傳輸速率的要求，因此在工控領域仍占據重要地位。

AT總線的地址信號AO-A 10與IDT7132直接相連，A11-A19及AEN信號經通用可編程芯片GAL16V8，產生IDT7132的片選信號。這種做法可以簡化譯碼電路的設計，且可以很方便地修改IDT7132的地址選擇，以免與工控機中己有的擴展板發(fā)生沖突。一般地，PC系列機存儲器空間的OAOOOOH-OEFFFFH區(qū)域為vo擴展卡保留，且某些標準uo設備如顯示適配器己經占用了其中的一部分空間，因此本卡上IDT7132在工控PC機中占用存儲器空間應提供多種選擇。例如，欲使IDT7132占用的地址空間為OD800:1000 -OD800:17FF，只需將GAL按以下邏輯編程:

1.2輸入/輸出(I/O)模塊的設計

嵌入式可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，控制對象是工業(yè)生產設備或工業(yè)生產過程，工作于工業(yè)生產現(xiàn)場，它與工業(yè)生產過程的聯(lián)系就是通過輸入輸出(I/O)模塊實現(xiàn)的。I/O接口模塊的任務是將被控對象或被控生產過程的各種變量進行采集送入單片機處理，同時控制器又通過I/O模塊將運算處理產生的輸出信息送到被控設備或生產現(xiàn)場，驅動各種執(zhí)行機構動作，實現(xiàn)實時控制。

在通常的PC工業(yè)控制中，需要用到多路輸入，單片機上可用的I/O端口數量有限而且寶貴。在此系統(tǒng)中，根據設計要求的輸入、輸出點數，進行I/O端口的擴展。本次設計中所選用的I/O擴展芯片是8255A。由于輸出模塊另選了其他元件，不需要在8255A上另辟輸出端口，因此8255A的三個端口全部都用作輸入。出于對可靠性及抗干擾兩方面的考慮，開關量輸入信號經濾波及光電禍合器隔離后送入8255，然后由驅動器74LS245讀入單片機。設計中采用的輸出元件是德州儀器(TI)公司生產的邏輯功率器件TPIC6B273ND，該器件是一種單片、高電壓、中等電流的功率邏輯8位D型鎖存器，其將鎖存器和驅動器做在單一芯片里，滿足了輸出模塊的要求，先將信號鎖存，而后在輸出刷新時驅動負載，并且能提供15OmA的連續(xù)電流驅動較大范圍的負載。開關量輸出信號經TPIC6B273ND鎖存及功率放大后送至繼電器板，由繼電器控制外部開關設備的通斷。經過這樣的設計使得輸出模塊結構大大簡化，一改傳統(tǒng)模塊體積大，電路連線復雜等缺陷。

2 嵌入式PLC的軟件設計

軟件設計有兩部分內容，一個是工控PC機中相關程序設計(即上位機程序的設計或梯形圖集成開發(fā)環(huán)境的設計)，另一個是PLC卡自身所帶程序設計(下位機程序的設計)。前者主要功能參圖3所示，一般基于Visual C++或Borland C++平臺進行開發(fā)。

在圖3中，梯形圖編程模塊為用戶提供方便的PLC電氣控制邏輯編程手段，其結果生成梯形圖文件。梯形圖文件僅存儲I/O點之間的邏輯關系，其格式與嵌入式PLC所用CPU類型無關，以提高編程模塊的適應性及可重用性。梯形圖編譯模塊則用于把該文件轉化為一系列的8051機器指令，并加上一些必要的附加指令，產生二進制(BIN)指令碼文件。此部分應當考慮到PLC中I/O點的資源分布情況，使最后生成的BIN文件的指令與實際I/O資源協(xié)調一致。通訊模塊用于把BIN文件傳輸到雙口RAM中，再由PLC卡自身所帶的程序(下位程序)把它轉儲到靜態(tài)存儲器(6264)中。監(jiān)控模塊提供用戶對I/O點監(jiān)視與設置、PLC卡運行狀態(tài)/編程狀態(tài)設置等功能，方便用戶現(xiàn)場調試。另外，為了使用戶能夠在自主開發(fā)的應用程序中對PLC卡進行有效的監(jiān)控，此部分提供開放的用戶接口。

圖3 PC機中軟件主要功能

嵌入式PLC卡自身所帶程序(下位程序)主要實現(xiàn)以下功能6264中邏輯處理程序(即由工控機傳來的BIN文件)及運行狀態(tài)的有效性檢驗，I/O點及雙口RAM映射區(qū)域的周期性刷新，運行故障監(jiān)測等。只有當6264中已存有有效的BIN文件，且已設置好有效的運行標志時，才能運行6264中的邏輯處理程序。另外在運行期間，運用看門狗(Watch Dog)對運行是否正常加以監(jiān)視，防止并處理諸如運行6264中的程序時發(fā)生的超時錯，6264中的邏輯處理程序出錯等異常情況。

3 結論

本文設計的嵌入式可編程控制器系統(tǒng)采用了插卡式結構，利用總線技術及雙端口RAM與工控 PC機進行信息交換，速度快，可靠性高，實時性有保證。其可嵌入到工控PC機系統(tǒng)中，便于與用戶的軟硬件組合成更復雜的系統(tǒng)。此外，目前國內有關嵌入式PLC系統(tǒng)的研發(fā)不是很多，本文的研究工作對推動PLC控制系統(tǒng)國產化具有重要意義。