基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计

　　四十多年来，PLC已成为实现工业控制的中坚力量。它的功能不断完善，应用领域不断扩大，对于工业控制技术的进步与社会发展所发挥的作用无可估量。PLC以它的高可靠性和易操作性，主导了工控行业数十年。PLC虽然有着它固有的优势，但面对客户需求的不断变化，PLC要想生存，就必须突破传统模式，积极求新求变以适应新的市场发展。而具有低成本优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。所谓嵌入式PLC 是指采用SoC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并能用IEC61131-3的标准编程语言编程的PLC.随着高性能的ARM 嵌入式微处理器的发展，笔者设计了新一代微型嵌入式PLC.本文介绍了嵌入式PLC的体系结构，包含其硬件设计和软件设计方案。

　　1 嵌入式PLC的硬件结构设计

　　1.1 微控制器芯片的选取

　　CPU是PLC的核心，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。本设计选用的是Philips公司生产的LPC2294微控制器。LPC2294是一款基于32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU芯片，它带有256kB嵌入的高速Flash存储器，16kB 片内SRAM.LPC2294采用144脚封装、具有极低的功耗以及多达112个通用I/O 口，9个边沿或电平触发的外部中断引脚，最大为60MHz的工作晶振，多个32位定时器，PWM 单元，实时时钟和看门狗，转换时间低至2.44μs的8通道10位ADC、4 路高级CAN 接口， 另外具有2 路UART（16C550），高速I2 C （400kbit/s）及2路SPI总线。LPC2294丰富的硬件资源和完善的功能使这款微控制器特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线等场合。

　　1.2 硬件系统的整体结构

　　本系统以ARM 芯片LPC2294为CPU，设计为14路PNP型输入、10路继电器输出的基本模式。硬件总体结构包括：

　　电源及复位模块、ARM 微控制器、Flash存储器扩展模块、开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS485接口及CAN接口通信模块等。系统的结构如图1所示。

　　1.2.1 开关量输入输出接口电路

　　图2所示为一路开关量输入图。此部分电路前端为R、C组成的一阶滤波电路，防止外部干扰信号进入系统中。输入端外接的输入控制开关信号（直流24V）通过输入点10.0经限流电阻输入到光电耦合器（PC816）的输入端，M 为输入点10.0~10.7的公共输入端。因P0.23口被设置为输入模式且口线内部无上拉电阻，所以需要外接上拉电阻，防止口线悬空。当10.0输入端为24V时，光电耦合器中的光敏二极管导通，光敏晶体管输出端被拉为低电平，指示该路输入状态的LED被点亮，P0.23被置为低电平。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为 1.10.0输入端为0V时，P0.23为高电平，当CPU访问该路信号时，则将该输入点对应的输入过程映像寄存器的值置为0.其余各个输入点所对应的电路及工作原理均相同。

　　图3所示为继电器输出模块图，图中并联在继电器线圈两端的二极管这里起续流作用。该模块的工作原理如下：当内部输出过程映像寄存器为1时，LPC2294端口P1.16输出0，光敏晶体管导通，继电器线圈得电，输出点接通；反之当内部输出过程映像寄存器为0时，端口P1.16输出1，继电器线圈失电，输出点断开。

　　需要注意的是，当LPC2294的GPIO 口初上电时，其输出端口（如本图中的P1.16）的电压不稳定，这样易导致外部继电器误动作而引起外部设备工作不稳定。为此，我们设计了图4电路用来提高继电器输出的稳定性。

　　这是一个由NE555 定时器组成的单稳态电路，其中VCC5.0D端接图3中光电耦合器的集电极。其工作原理为：系统上电初始，2、6管脚电平不能突变，保持为低电平。分析 NE555的内部电路可知，此时输出端3管脚输出高电平，电路开始对R、C电路进行充电，随着时间的推移，管脚2、6的电平不断升高，当升至23VCC 时，输出端3管脚将翻转至低电平，使三极管导通，VCC5.0D输出5V.这样，系统上电后经过一段时间，I/O口的电平稳定下来之后，光电耦合器才得电开始工作。暂稳态的持续时间tW取决于外接电阻R 和电容C的大小。tW等于电容电压在充电过程中从0上升到23VCC所需要的时间，即

　　1.2.2 模拟量输入电路设计

　　先通过电阻R66，将现场传感器输出的电流信号转换为0~5V电压信号进行采集。考虑到抗干扰及对微处理器电路的保护，在转换电路的输出端加了线性光耦HCNR201.硬件电路如图5所示。

　　1.2.3 串行通讯接口电路设计

　　为了能与其它工业控制产品兼容，我们设计时采用了RS-485接口标准。为了将TTL电平转换成 RS485电平，选用了SP485E 收发器。SP485E 芯片的数据传输速率可高达10Mbps，其最大的特点是在为发送器输出和接收器输入管脚提供了ESD保护电路。接口电路如图6所示。