一、嵌入式PLC

    嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组

    1、嵌入式PLC系统软件

    嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。

    该系统软件具有以下特点：1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作；2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、专家自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能；3.提供开放式扩展结构,支持第三方开发扩展单元的接线；4.增加了网络互连功能,在远程端加载专用浏览器后,即可实现远程监控。

    系统软件包括三个部分。
   
    ① 嵌入式PLC内核：它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；
    ② 二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；
    ③ 终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序

    2、嵌入式PLC芯片组

    EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的核心芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和专用PLC。

    1）芯片组基本性能：

    ① 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
    ② CPU： C8051F040。
    ③ 嵌入扩展能力

    ·32 IO：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
    ·4 AD： 12位精度，100 KPS。
    ·2 DA： 12位精度，100 KPS。

    ④ 通信接口

    ·CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
    ·UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
    ·UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连。

    2）芯片组原理框图

图1 芯片组原理框图

    二、应用开发

    基于加载了系统软件的核心芯片组，我们可以根据工艺需要来开发自己的嵌入式PLC产品。下面就介绍基于嵌入式PLC芯片组开发的16路输入的模拟量PLC产品（可输入标准信号或热电偶信号）。

    1、硬件设计

    硬件整体结构图如下：

图2 硬件整体结构图

    AI0是芯片组内的一个AD转换通道，P1.0—P1.4作为模拟开关的通道控制线来进行16个模拟信号通道间的切换。

    （1）信号采集电路

    用AD公司的高精密放大器OP07构成模拟信号放大电路，OP07具有低输入偏移电压（10uV）、低漂移电压（0.2uV℃）和宽范围的供电电压（±3V－±18V）, 可以很好地满足该产品的要求。在这里OP07由±5V供电，R18、R79作为调零电阻，输出电压由下式给出：Vout＝Vin（1＋R98R56）。

图3 模拟信号放大电路

    （2）信号选择电路

    选择16通道的模拟开关CD4067构成信号选择电路，A、B、C、D、INH接到芯片组的P1.0－P1.4引脚，做为模拟开关的通道选择控制信号。OUT引脚接到芯片组的AIN0，即第一个AD转换通道。

图4 信号选择电路图

2、软件开发

    嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。

    内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。

    （1）程序规划

    T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序

    USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。

    AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。

    PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。

    （2）程序代码

    INIT_AD ;AD初始化
    MOV  SFRPAGE,  #ADC0_PAGE
    MOV  REF0CN,  #07H ;内部参考电压输出到VERF;启动内部温度传感器
    MOV  AMX0CF,  #00H ;单极性输入
    MOV  ADC0CF,  #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1
         ;采样转换时钟=1US
         ;D2--D0=GAIN
         ;000 GAIN=1
    MOV  ADC0CN,  #90H ;启动AD采样
    MOV  AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
    MOV  AD_COUNT,  #00H ;16次采样次数计数。初值为0
    RET
    SAMPLE_AD         ;AD采样开始
    MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页    
    MOV  A,  AD_CHANNEL  ;采样值的累加和是一个字基地址为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL
    RL  A
    MOV  DPTR,  #XAI  ;XAI存放16次采样值的累加和
    ADD  A,   DPL   ;低字节相加
    MOV  DPL,  A
    MOVX A,   @DPTR
    MOV  B,   A
    MOV  A,   ADC0L
    CLR  C
    ADDC A,   B
    MOVX @DPTR,  A
    INC  DPTR     ;高字节相加
    MOVX A,   @DPTR
    MOV  B,   A
    MOV  A,   ADC0H
    ANL  A,   #0FH
    ADDC A,   B
    MOVX @DPTR,  A   ;#XAI中存放格式为低字节、高字节
    MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
    MOV  ADC0CN, #090H  ;启动下次AD采样
  
    INC  AD_COUNT
    MOV  A,   AD_COUNT
    CLR  C
    SUBB A,   #16 
    JNC  FILL_XAI_XAD   ;当16次采样完成后,把XAI中16个采样和（2字节）存放到XAD RET

    3、驱动程序的嵌入

    在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。

    三、功能介绍

    基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：

    1. 采集工业现场的多路热电偶信号；
    2. 支持三菱、台达等多家人机界面；
    3. 支持梯形图编程（86条指令）；
    4. 支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。

    这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。

    下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。

图5 基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点梯形图

    四、结束语

    笔者利用嵌入式PLC芯片组开发的的PLC产品的实例证明，本着软硬件可裁剪的原则，开发出的产品可以很好的满足用户的个性化需求，节约了硬件成本、缩短了研发周期，并且得到了许多强大的功能，相信它的出现必将使得PLC生产厂家生产出越来越多的贴近终端市场的PLC。