面向应用层嵌入的PLC模块设计

广东工业大学自动化学院 吴豪乐 许锦标

1 引言

传统的PLC采用梯形图和语句表来使得编程简便，具有系统软件开发周期短以及现场调试程序等优点。传统PLC还存在不能兼容支持I2C、SPI这一类的通讯接口和成本比较高的不足。

针对以上传统PLC的不足，本文以STM32系列芯片构建PLC模块硬件系统电路和对软件模块设计来设计出嵌入式PLC模块。采用了模块化设计的PLC具有体积小、成本低以及能够实现访问I2C设备的功能的优点，同时还是采用梯形图的传统开发方式，为工程师开发项目提供了一个新的选择。

2 面向应用层的软PLC模块硬件设计

通过分析传统PLC的工作原理和硬件功能，来设计PLC模块的硬件系统，其中硬件系统主要组成包括STM32 最小系统、掉电检测电路、通讯电路、输入输出电路以及增加新的I2C通讯接口电路，如图2.1所示。

图2.1 嵌入式PLC模块硬件系统结构

3 面向应用层的软PLC模块软件设计

本节将对嵌入式PLC模块的软件部分按实现的功能划分来进行模块化设计，如PLC程序的执行、I2C总线通讯以及指令解释执行，限于篇幅本小节主要讲述PLC系统主函数流程、系统中断处理模块和指令解释模块。

3.1 系统主函数流程

系统的主函数主要完成的任务是对程序进行了一个模块划分，执行的过程是一个有序循环扫描的过程，以PLC指令解析函数解析并跳转到处理函数来处理接收到的数据。如图3.1所示。

图3.1 系统主函数流程图

3.2 中断处理模块

系统中断可以分为：串口接收中断、定时器中断、I2C通讯处理中断和外部掉电检测中断，考虑到后期中断处理随着数据量的增多，如果定时器中断优先级高于串口中断，串口接收中断会出现掉包现象，所以将串口处理中断设置为高于定时器中断，具体中断优先级如图3.2和图3.3所示。

图3.2 前期系统中断优先级

图3.3 后期调试系统中断优先级

3.3 指令解释模块

根据三菱PLC指令占用的字节数特点，可以将其分为单字指令、双字指令和多字指令。

3.3.1 单字节指令

单字指令用最高四位代表指令，其它位来表示软元件位置信息。例如在PLC程序中：“LD X0” ；其指令码为2400H，在C语言中400H表示X0的地址信息，转换成存放X0数组的索引值，之后再读出这个值并将其存放在系统的全局变量中。

3.3.2 双字指令

双字指令虽然有与单字指令相同的部分，但是由于地址上访问不到，所以需要增加指令字节长度来访问地址，例如：“OUT S0”。指令码为 0005H 8000H；其中，0005 代表OUT 指令，8000H+n 代表 Sn 的地址。

3.3.3 多字指令

多字指令的作用是帮助对一些16位的软元件完成数据的传输，例如：“OUT T0 K10”。

指令码为0600H 800AH 8000H；其中，600H为 T0 在三菱FX2N 内部的地址，指令含义为当 T0 计数 1000Ms 后， T0 输出线圈闭合。

4 结束语

在分析传统PLC工作原理的基础上，本文通过以STM32F103ZET6的芯片作为中央处理器设计出一款嵌入式软PLC模块。其中该模块本文是将其进行硬件和软件模块化设计的，针对传统PLC的不足，该模块增加了支持I2C从设备的功能；同时该模块还具有没有改变原有梯形图开发模式和该嵌入式软PLC模块成本较传统PLC成本低的优点，为未来某些控制领域提供了新的控制器的选择。

[1]高兴国.8098芯片PLC级语言编程研究[D].天津工业大学,2000.

[2]李万军.软 PLC体系结构分析及工程应用[D].西安电子科技大学,2007.

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