基于单片机的嵌入式软PLC技术的发展现状分析及其意义

张天亮

【摘要】软PLC技術是目前国际工业自动化领域逐渐兴起的一项基于PC的新型控制技术。嵌入式软PLC技术是在深入研究分析传统PLC技术、软PLC技术以及嵌入式系统的基础上发展提出的， 适用于目前工业控制中的PLC控制程序大多仅包含常用的基本控制指令的发展现状。嵌入式软PLC可以弥补传统PLC兼容性与可扩展性差、性价比低等缺点，并可克服目前大型软PLC系统较为庞大及资源浪费等不足。本文通过分析国内外传统PLC、软PLC以及嵌入式系统的发展现状，阐述了研究开发嵌入式软PLC系统的意义。

【关键词】软PLC；嵌入式；单片机；意义

一、基于单片机的嵌入式软PLC技术的发展现状分析

（一）工艺上的进步

现在单片机基本上采用CMOS技术，但大多数已经采用0.6μm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorala公司的已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。这些技术的进步大大的提高了单片机的内部密度和可靠性。目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接也是一种趋势。但是，Internet一向是采用更倾向于服务器的技术。这种技术在互连上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了“大材小用”了。要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。在单片机应用中，可靠性是首要因素，为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现如下几点。

（二）内部结构的进步

单片机的内部已经集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D 转换器，D/A 转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模CAN。Motorala公司的68HC08AZ系列等。特别是在单片机 C167CS-32FM 中，内部还含有两个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列，MB89860系列；Motorala公司的MC68HC08MR16，MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并且内部含死区控制等功能。特别引人注目的是，现在有的单片机已采用所谓的三核（TnCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。这种单片机的最大特点在于把 DSP 和控制器同时做在一个片子上。虽然从结构定义上讲，DSP 是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理，如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成，大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。

（三）功耗、封装及电源电压的进步

现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲等。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5Ma，而在节电方式时，其功耗只有0.5mA。在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列。它的低功耗方式有LPM1、LPM3及LPM4三种。电源为3V时，如果工作于LPM1方式，即使外围电路处于活动状态，

（四）采用低频时钟

高额外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。Motorala公司的MC68HC08系列及其16/32位单片机就采用了这种技术提高可靠性。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现，单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。

二、基于单片机的嵌入式软PLC技术的意义

嵌入式软PLC是集计算机技术，PLC控制技术，以及嵌入式技术为一体的新型发展技术，是从发展相对较为成熟的软PLC技术引申而来的。软PLC技术一般是指基于PC机的利用现在PC的各项新型技术，使用软件代替传统 PLC的功能的一项新技术。本文研究的嵌入式软PLC是由运行于PC 机的梯形图编辑环境以及运行于MCU的PLC指令运行环境组成。目前嵌入式软PLC尤其是基于单片机的软PLC 还没有比较成熟的产品。软PLC解决了传统PLC的兼容性差、通用性差等问题，具有重要意义：由于传统PLC的不同生产厂商之间的产品互相不兼容，难以构建开放的硬件体系结构。软PLC的硬件体系结构不再是封闭的了，用户可以自己选择合适的硬件来组成满足要求的软PLC。传统PLC的指令集是固定的，而实际工业应用中可能需要定义算法。软PLC指令集可以更加丰富，用户可以使用符合标准的操作指令。由于传统PLC的生产被几家大厂商所垄断，造成传统PLC的性价比增长缓慢。而PC机厂家的激烈竞争使得基于PC机的软PLC的性价比得以提高。传统PLC限制在几家厂商生产，它具有很大的私有性，因此它们很难适应现有标准计算机网络，常常是PLC与计算机处在不同类型的网络中。软PLC不仅能够加入到已存在的私有PLC网络中，而且可以加入到标准计算机网络中。这使得现有计算机网络的很多研究成果可以很容易的应用到PLC控制技术中。传统PLC各厂商产品编程方法差别很大，技术专有性较强，工程人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法。软PLC技术是基于IEC61131-3标准的，该标准面向应用、面向问题、不要求编程人员具备很高的编程知识，具有“一次学习、到处使用”的优点。因此在掌握标准语言后开发就比较容易。对于MCU平台而言，软PLC既具有单片机廉价的特性，又可避免单片机复杂的开发，利用梯形图的编程方法可以大大缩短开发周期，节约成本。基于MCU平台的嵌入式软PLC上，即将梯形图的编程思想用于单片机的编程。由于梯形图简单易懂，易于推广。可见，嵌入式软PLC 相对于传统PLC具有巨大的优势。

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