基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计

张京一

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的设计

张京一

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

伴随着PLC功能的不断完善和增强，基于PLC在现代工业控制中的应用越来越广泛的实际情况，为了能够更好的服务企业生产需求的目的。在当今工业技术不断快速进步的时期，PLC要想能够获得更好发展，就必须适应不断变化的客户的各种生产方面的相关需求，只有这样才可以适应社会经济的发展。通过本文根据实际生产需要设计所设计的一款嵌入式PLC，得到了成本低、功能强大等相关方面的优点，使其在实际的生产加工中具有了重大的实际应用价值。

PLC；嵌入式；LPC2294；设计

PLC可编程逻辑控制器具有很强的实用性，在自动化领域具有十分重要的地位。如今，PLC在工业控制领域的应用逐渐扩大，得到了极大的发展，然而传统的PLC则开始不能够满足工业控制的个性化、差异化追求，因此PLC也需要寻求改变。目前，嵌入式操作系统PLC的应用则能够满足多方面的追求。以ARM为代表的32位高性能微处理器和高集成度的芯片对嵌入式操作系统的发展起到了促进作用，进而使嵌入式PLC得到了较好的发展。本研究中基于ARM微处理器LPC2294进行了嵌入式PLC的设计。

1 嵌入式PLC的整体设计方案

嵌入式PLC是采用嵌入式实时操作系统与SoC嵌入式芯片上系统来实现的PLC功能，该PLC能够支持IEC61131-3编程语言，笔者设计的这一款嵌入式PLC整体设计包括了硬件设计与软件设计两个方面，硬件设计方面主要包括了6个方面的内容，即CPU、硬件系统、开关输入输出接口电路、继电器输出电路、单稳态电路、模拟量输入电路与串行通讯电路；在软件设计方面主要进行了PLC运行系统软件设计、用户嵌入任务调度设计与存储管理设计。其中，PLC运行系统主要对整个系统进行管理，并执行用户编译的程序；而用户嵌入任务调度则直接面对用户，提供编程平台，并完成程序的转换。

2 嵌入式PLC的硬件设计方案

2.1 CPU的选择

PLC的核心为CPU，CPU能够对用户输入的特定格式的指令进行识别，并根据指令规定与现场I/O信号发出控制指令，进而完成控制任务。笔者设计的基于LPC2294处理器的嵌入式PLC，其中LPC2294处理器为Philips生产，为32位的ARM微处理器，能够实现对实时仿真、跟踪CPU的支持，带有16 kB的片内SRAM和256 kB的高速flash存储器，并且功耗极低，含有112个通用型I/O接口、9个边沿的外部中断引脚，工作晶振最大为60 MHz，具有多个32位定时器，转换时间仅为2.44 μs的8通道10位ADC，以及高级CAN接口4路、UART2路等。由于LPC2294处理器的硬件资源十分丰富、而且功能相对完善，因此非常适合工业控制、医疗系统、汽车等行业系统的应用。

2.2 硬件系统结构

本系统的CPU为LPC2294处理器（ARM芯片），其基本模式为10路继电器输出、14路PNP输入，硬件结构整体包括了电源、复位模块、微控制器ARM、开关量输入及输出、模拟量输入及输出、flash存储器扩展、CAN接口通信、RS485接口通信等模块。PLC硬件系统结构如图1所示。

图1 PLC硬件系统结构

2.3 开关输入输出接口电路

为了避免外部的干扰信号进入系统，一路开关量输入部分的电路前端由R和C组成了一阶滤波电路。输入端的外接输入控制开关信号经输入点10.0限流电阻进入PC816光电耦合器输入端，而10.0～10.7的公共输入端为M。设计P0.23口为输入模式，并且内部无上拉电阻，因此为了避免口线悬空还需要在外部接上拉电阻。当10.0输入端为24 V（直流），PC816中光敏二极管导通，光敏晶体管输出端变为低电平，而LED输入状态指示点亮，P0.23低电平；当10.0输入端为0 V，则P0.23高电平。当CPU对两种信号进行访问时，输入点对应输入过程的映像寄存器值前者被设置为1，后者被设置为0。图2为开关输入输出接口电路。

图2 开关输入输出接口电路

2.4 继电器输出电路

在继电器输出模块为了起到续流的作用，在继电器两端并联二极管。继电器输出模块的工作原理是当映像寄存器被设置为1时，光敏晶体导通，LPC2294处理器端口P1.16输出0，继电器线圈带电接通输出点；当映像寄存器被设置为0时，光敏晶体断开，LPC2294处理器端口P1.16输出1，继电器线圈不带电输出点断开。

2.5 单稳态电路

在设计中发现，LPC2294处理器GPIO初始上电时P1.16电压存在不稳定现象，因此笔者设计了进行了单稳态电路的设计，从而保证继电器的稳定输出。该单稳态电路由以NE555定时器组成，其VCC5.0端与PC816集电极连接，在系统初始上电时，2、6管脚保持低电平，当输出端3管脚为高电平，R、C电路开始充电，此时管脚2、6的电平随着时间的延长逐渐升高，当2、6管脚电平=2/3 VCC时，3管脚变为低电平，进而导通三极管。系统在上电一段时间后I/O电平稳定，此时PC816得电并工作（图3）。这种暂时稳定状态的维持时间T与外接电容C和外接电阻R有关，其表达式为：

图3 单稳态电路

.6 模拟量输入电路

对现场传感器输出的电流信号经电阻R66后转变为0～5 V的电压信号进行采集，为了避免干扰信号的进入，并对微处理器电路进行保护，在电路转换输出端加装了HCNR201线性光耦。图4为模拟量输入电路。

图4 模拟量输入电路

2.7 串行通讯电路

本设计中为了保证与工控产品兼容，所以设计了RS-485接口标准，并通过SP485E收发器来使TTL电平转换为RS485电平。其中SP485E的数据传输速率为10 Mbps，能够为接收器输入与发送器输出的脚管提供保护电路ESD。

3 软件系统设计

3.1 PLC运行系统设计

PLC运行系统首先对应用程序的内存进行分配，然后将应用程序加载到已分配好的内存里，并执行该程序的指令。当该程序要求底层系统提供服务时，PLC运行程序需要对有关请求进行处理。为了避免干扰进入系统，PLC运行系统是基于嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ进行开发的，因此PLC运行系统的可靠性、开发效率都得到了提高，而开发周期则大大缩短。通过μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植，能够对与ARM处理器相关的代码进行修改，并将其集中在3个各文件中，即OS_CPU.H文件、OS_CPU_C.C文件和OS_CPU_A.S文件。

OS_CPU.H文件内主要包括了与编译器和处理器有关的数据类型、堆栈类型定义，还包括了中断处理方式定义（宏定义）与堆栈增长方式的声明。如：typedef unsigned char INT8U、typedef signed char INT8S；typedef float FP32；typedef unsigned int OS_STK等。而处理器的打开与关闭则通过函数OS_ENTER_CRITICAL（）与OS_EXIT_CRITICAL.（）来实现。

OS_CPU_C.C文件内主要包括了10个函数，本设计中涉及了任务栈结构的OSTaskStkInit（）初始化函数，另外还有9个函数，如OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）等在本设计中为空函数，不含任何代码。

OS_CPU_A.S文件内包含了4个函数，即OSStartHighRdy（）多任务启动函数，OSCtxsw（）任务切换函数，OSIntCtxsw（）任务中断切换函数和OSTickISRael（）时钟节拍服务函数。到这里μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植就完成了，用户以后的编程均是在此基础上实现的拓展。

3.2 用户嵌入任务调度设计

软件开发系统主要目的让用户进行PLC程序的编写，因此需要进行相应编程平台的设计。图5为本设计的PLC软件系统。

图5 PLC软件系统

对该编程平台的设计包括了编辑器、编程页面、编译器、转换模块以及通信模块等设计。通过该编程平台，用户能够进行PLC程序的编写，如采用FX系列的PLC编程软件作为编程平台，可将梯形图与指令表作为编程语言，然后通过转换程序将编译的程序转换成C语言。该转换程序属于解释系统，能够对指令表进行逐条的翻译，对与用户无关的指令将进行生成和处理。通过这种编程平台与程序编译的转换，使工作量获得了大幅度的减少。

4 基于LPC2294处理器的嵌入式PLC的实现

在LPC2294处理器的嵌入式PLC平台中植入本次设计的PLC软件系统，并与PLC的输入与输出硬件接口板连接，在开发系统中对PLC梯形图进行编写，在编译完成后加载到PLC运行系统。按下开关0后，相邻LED0点亮，在延迟4 s后LED1点亮，按下开关1后，相邻LED2点亮，同时LED0熄灭。这表明，该测试结果与理论分析相一致，本次设计的嵌入式PLC控制系统的硬件、软件与μC/OS-Ⅱ在LPC2294上的移植达到了设计的预期效果。

5 结束语

本研究设计了一款基于LPC2294的嵌入式PLC，通过对该嵌入式PLC硬件系统与软件系统的设计，使PLC的操作和通信、硬件与软件等功能变得更加灵活，方便，而且这种设计更符合机电设备的不同需求，操作简单，具有SoC芯片，支持IEC61131-3编程语言，在市场上也容易获得，因此本次设计的嵌入式PLC具有一定的应用与推广价值。

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The design of embedded PLC based on LPC2294 microprocessor

ZHANG Jing-yi
（Xi’an Railway Vocational and Technical College，Xi’an 710014，China）

Along with the continuous improvement of the function of PLC and strengthen，based on PLC application is more and more widely in modern industrial control of the actual situation，in order to better serve the purpose of enterprise production demand.In today's industrial technology continuously rapid progress period，PLC to be able to get a better development，must adapt to changing customer requirements concerning the various production，only in this way can adapt to the development of social economy.In this article，according to the needs of practical production design to design an embedded PLC，got the advantages of low cost，powerful related aspects，such as，in the actual production and processing of the significant value of practical application.

PLC；Embedded；LPC2294；design

TN99

A

1674－6236（2016）15-0178-03

2015-08-04 稿件编号：201508016

张京一（1984—），女，山西绛县人，讲师。研究方向：自动化。