基于LPC2294處理器的嵌入式PLC的設計

　　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I2 C （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