可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體,，按照成熟而有效的繼電控制概念和設(shè)計(jì)思想，用先進(jìn)的微控制器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)I/O的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制,。由于PLC具有編程簡(jiǎn)單,、可靠性高、通用性強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn),，因此得到廣泛應(yīng)用,。PLC技術(shù)已經(jīng)成為工科院校電工學(xué)的必修內(nèi)容。但PLC的種類很多,，發(fā)展很快,，而指令系統(tǒng)和使用方法又不盡相同，使PLC的教學(xué)內(nèi)容總是滯后于PLC的技術(shù)發(fā)展,。為了改變這種狀況,，我們以自帶在系統(tǒng)中編程（ISP）功能的、高性價(jià)比的微控制器SM2965為核心,，研制了基于ISP功能的可編程序控制器,，用于PLC控制實(shí)驗(yàn)。下面介紹PLC的設(shè)計(jì)思路、硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法,。
一,、采用ISP微控制器SM2965設(shè)計(jì)PLC的思路
為了滿足對(duì)嵌入式系統(tǒng)采用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)的需求，新一代微控制器配置了ISP功能,，它是指在用戶設(shè)計(jì)的微控制器系統(tǒng)中為配置新的系統(tǒng)功能對(duì)器件進(jìn)行重新編程的技術(shù),。在PLC中采用具有ISP功能的微控制器，不僅可以在線更新用戶程序,，而且還可以在線升級(jí)系統(tǒng)程序,。使PLC教學(xué)能緊跟PLC最新技術(shù)發(fā)展。
（一）SM2965的特點(diǎn)
SM2965的內(nèi)核是標(biāo)準(zhǔn)的80C52,，但在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了以下功能：
在系統(tǒng)中編程，編程電壓為+5V,；
64k字節(jié)快閃存儲(chǔ)器（FLASH E2PROM）,，ISP功能使FLASH E2PROM可在線編程；
1k字節(jié)的RAM空間—256字節(jié)的片內(nèi)RAM和768字節(jié)的片內(nèi)擴(kuò)展內(nèi)存（EXRAM）,；
可編程的看門狗定時(shí)器,。
可見，一片SM2965包含了標(biāo)準(zhǔn)的80C32,、FLASH,、E2PROM（28SF512）、SRAM（靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）和WDT（看門狗定時(shí)器）SM2965是性價(jià)比極相當(dāng)高的“單片”計(jì)算機(jī),。而其ISP特性使得FLASH E2PROM既可作為程序空間,，也可像E2PROM一樣保存數(shù)據(jù)。以其為核心設(shè)計(jì)的PLC具有成本低,、體積小,、擴(kuò)展方便及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。
（二）由微控制器組成PLC的思路
以微控制器為核心設(shè)計(jì)PLC,，其硬件組成與微控制器測(cè)控系統(tǒng)基本相同,。但在微控制器測(cè)控系統(tǒng)中，“測(cè)”和“控”的過程在時(shí)間上是串行關(guān)系,。而PLC是按循環(huán)掃描方式進(jìn)行工作的,，每個(gè)掃描周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段,，采用集中輸入,、集中輸出并行關(guān)系的工作方式。若像微控制器測(cè)控系統(tǒng)一樣,，對(duì)PLC梯形圖程序行依次實(shí)時(shí)采集輸入端子狀態(tài),，進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)輸出，達(dá)不到PLC的控制效果。為此,，在RAM區(qū)設(shè)置輸入緩沖作為輸入映像寄存器,，采用一次性讀入全部輸入端子狀態(tài)，并將其存入輸入緩沖區(qū),，然后,，按照梯形圖程序行的邏輯關(guān)系，從輸入緩沖區(qū)讀取相應(yīng)輸入端子狀態(tài),，運(yùn)算處理后將待輸出的結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)—元件映像寄存器,。最后，當(dāng)梯形圖程序行全部執(zhí)行完畢,，一次性將輸出緩沖區(qū)的值輸出到相應(yīng)的輸出端子,，經(jīng)過上述三個(gè)階段，完成一個(gè)程序掃描周期,。如此往復(fù),，自動(dòng)進(jìn)行下一輪的掃描。這樣將串行程序工作和并行工業(yè)控制系統(tǒng)兩種關(guān)系協(xié)調(diào)起來,。雖然存在輸入/輸出滯后現(xiàn)象,，但微控制器執(zhí)行一條指令的時(shí)間是微秒級(jí)，執(zhí)行一個(gè)掃描周期的時(shí)間為幾毫秒,，最大為幾十毫秒,。相對(duì)于電器的動(dòng)作時(shí)間而言，掃描周期是短暫的,，可以認(rèn)為在一個(gè)掃描周期內(nèi)輸入端子的狀態(tài)是不變的,，對(duì)其狀態(tài)變化的采集和處理也是實(shí)時(shí)的，從而滿足了實(shí)時(shí)控制的要求,。
二,、硬件配置及系統(tǒng)資源分析
系統(tǒng)硬件配置以微控制器SM2965為核心，如圖1所示,。
該微控制器有64k字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器和1k字節(jié)的RAM,，不必?cái)U(kuò)展外部存儲(chǔ)器，其接口P0～P3全部可作為I/O使用,。輸入端子經(jīng)光電隔離后連到P0口的8個(gè)腳,。用于開關(guān)量的輸入。開關(guān)接通時(shí),，相應(yīng)引腳為“1”,，開關(guān)斷開時(shí)，相應(yīng)引腳為“0”,。在輸入采樣階段,，MCU（微控制器）讀P0口的狀態(tài),，存入輸入緩沖區(qū)相當(dāng)于輸入映像寄存器。P2口作為PLC的輸出鎖存器,。在輸出刷新階段,，將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到P2口鎖存器，P2口8個(gè)引腳經(jīng)光電隔離后直接驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu),。P3口將鍵盤,、顯示器和微型打印機(jī)等外設(shè)與PLC連接，使PLC可脫離主機(jī)單獨(dú)使用,。P1作為I/O擴(kuò)展接口,，當(dāng)輸入、輸出設(shè)備所需I/O點(diǎn)數(shù)超過P0和P2所提供的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí),，可由P1口通過I/O擴(kuò)展單元加以擴(kuò)展,。用P1.6和P1.7口軟件模擬I2C總線接口，帶有I2C總線的I/O接口器件,、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件作為I2C的從器件與此相連后即可增加I/O點(diǎn)數(shù)和擴(kuò)展其他功能,。系統(tǒng)配置電平轉(zhuǎn)換集成電路ICL232，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232C電平,，可直接與主機(jī)相連進(jìn)行串行通信。SM2965內(nèi)部自帶可編程看門狗電路,，其外部?jī)H用簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位即可,。
SM2965片內(nèi)ROM空間分配如圖2所示，PLC系統(tǒng)程序,、中斷控制設(shè)置在低地址空間,，系統(tǒng)上電復(fù)位從0000H地址直接跳轉(zhuǎn)到PLC系統(tǒng)程序的入口地址，進(jìn)入PLC監(jiān)控,。下載引導(dǎo)程序位于F000H～FFFFH地址范圍,，系統(tǒng)上電復(fù)位如檢測(cè)到0000H地址的內(nèi)容為空“#0FFH”，則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下載引導(dǎo)程序的入口地址為F000H,，用于升級(jí)或更新PLC系統(tǒng)程序,。E000H～EFFFH空間固化了若干個(gè)PLC控制范例供實(shí)驗(yàn)時(shí)參照。
SM2965片內(nèi)768字節(jié)RAM作為PLC的梯形圖緩沖區(qū),，將源程序用PLC匯編器匯編成PLC目標(biāo)代碼文件,，并經(jīng)串行通信口發(fā)送到SM2965，由SM2965將其寫入梯形圖緩沖區(qū),。系統(tǒng)無須配置編程器,。
三、系統(tǒng)軟件組成
系統(tǒng)軟件包括微控制器軟件和PC機(jī)集成軟件兩部分,。為方便系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí),，微控制器軟件采用C51編寫,，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的部分使用匯編語(yǔ)言編寫。微控制器軟件主要包括下載引導(dǎo)程序,、系統(tǒng)主程序,、PLC指令分析程序及串行口中斷程序。下載引導(dǎo)程序僅在系統(tǒng)升級(jí)時(shí)調(diào)用,。微控制器軟件組成如圖3所示,。
PLC程序按輸入采樣、執(zhí)行梯形圖程序行及輸出刷新三個(gè)階段進(jìn)行周期性的循環(huán)掃描,，在輸入采樣時(shí),，間隔2ms連續(xù)三次采集P0口狀態(tài)，結(jié)果全相同時(shí)為有效,，即將其存入輸入緩沖區(qū),，否則重新采樣，以此提高抗干擾能力,。執(zhí)行梯形圖程序行時(shí)依次讀取PLC運(yùn)行緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,，遇到“=”指令時(shí)將運(yùn)算結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)。當(dāng)MCU從運(yùn)行緩沖區(qū)讀到“MEND”指令的二進(jìn)制代碼時(shí),，表示梯形圖程序結(jié)束,，然后將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容一次性輸出到P2口，從而完成輸出端子的刷新,。
PLC上位機(jī)軟件如圖4所示,，采用Visual C++6.0編寫，主要由串行通信程序和PLC匯編語(yǔ)言匯編器組成,，還包括更新范例,、裝載范例、裝載指定實(shí)驗(yàn),、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控,、模擬仿真、系統(tǒng)升級(jí)和在線幫助等輔助模塊,。寫完梯形圖源程序后,，用PLC匯編器將其匯編成目標(biāo)程序文件（OBJ文件）。選取主菜單裝載指定實(shí)驗(yàn),，再選定相應(yīng)的OBJ文件,，該段目標(biāo)代碼即被傳送到PLC運(yùn)行緩沖區(qū)。主菜單上的“更新范例”對(duì)應(yīng)于微控制器的“更新指定范例”模塊,。調(diào)用更新范例和系統(tǒng)升級(jí)命令時(shí)需要輸入權(quán)限密碼,。
四、應(yīng)用實(shí)例
某送料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖5所示,，STa,、STb分別為左行和右行限位開關(guān),。小車碰到STa自動(dòng)停下來裝料，10s后裝料完畢自動(dòng)開始右行,，碰到STb自動(dòng)停下來卸料,，15s后卸料完畢自動(dòng)往左行，這樣不停地循環(huán)工作,，直到按下停止按鈕為止,。
輸入：
SBF（右行手動(dòng)按鈕）：I0.0
SBR（左行手動(dòng)按鈕）：I0.1
SB1（手動(dòng)停止按鈕）：I0.2
STa（左行限位）：I0.3
STb（右行限位）：I0.4
輸出：
KMF（左行線圈）：Q0.0
KMR（右行線圈）：Q0.1
裝料：Q0.2
卸料：Q0.3
此例屬于一個(gè)被控對(duì)象（送料小車）的兩種相反的工作狀態(tài)（左行和右行），所以基本電路采用雙向控制電路,，結(jié)合其他控制條件,，可以設(shè)計(jì)出小車控制的梯形圖如圖7所示。
圖7 繼電器梯形圖
五,、系統(tǒng)特點(diǎn)
根據(jù)PLC的發(fā)展,，可在線升級(jí)部分或全部系統(tǒng)程序；
可通過I2C總線擴(kuò)展系統(tǒng)功能,；
無需配置編程器,，使用標(biāo)準(zhǔn)的串行口下載梯形圖程序；
調(diào)用ISP功能把梯形圖范例固化到MCU內(nèi)部FLASH中,，具有斷電數(shù)據(jù)保持特性,；
對(duì)RAM寫操作把梯形圖實(shí)驗(yàn)寫到MCU內(nèi)部EXRAM中，EXRAM擦寫次數(shù)無限,；
在實(shí)驗(yàn)中可參考PLC控制范例,；
PLC控制范例可以根據(jù)不同專業(yè)要求自行配置；
用于實(shí)際控制時(shí),，只需將該梯形圖程序形成的OBJ文件在線裝載到范例1位置；
系統(tǒng)程序具有梯形圖語(yǔ)句翻譯功能,，可外接鍵盤/顯示器,，PLC可獨(dú)立使用；
通用性強(qiáng),，不局限于某種指令系統(tǒng),，用戶可自行設(shè)計(jì)匯編器；
成本低,，器件主要有SM2965,、232電平轉(zhuǎn)換器、光電耦合器,、穩(wěn)壓塊,、接線端子以及幾個(gè)電阻和電容。
