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1、 35 4 基于嵌入式 PLC 芯片组的 14 点 PLC 硬件设计 PLC 的基本组成部分包括 CPU存储器I/O 系统和通讯接口几部分PLC 的 系统程序和用户程序都存放在存储器中现场输入信号经过 I/O 系统传送至 CPU CPU 按照用户程序存储器里安放的指令执行逻辑或算术运算并发出相应的控制 指令该指令通过 I/O 系统传送至现场驱动相应的执行机构动作从而完成响应的 控制任务 CPU 是 PLC 的核心其作用类似于人的大脑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 信号的状态发出响应的 控制指令 完成预定的控制任务 目前各厂家生产的PLC已普遍
2、采用了高性能的832 位微处理器作为其 CPU我们选用的是 Silicon Labs 的高速 51 单片机 C8051F0402930313233 PLC 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成系统程序是由 生产厂家预先编制的监控程序模块化应用功能子程序命令解释和功能子程序调 用管理程序及各种系统参数等嵌入式 PLC 内核就是设计的系统程序用户程序是 由用户编制的梯形图输入/输出状态计数/定时值以及系统运行必要的初始值其 他参数等从存储器的性质来分又可分为 ROM 和 RAM 两个部分C8051F040 具 有 64K 字节 FLASH系统程序 嵌入式 PLC 内核全部放在 FLA
3、SH 存储器中用 户梯形图程序也保存在 FLASH 中 具有备用电池的 SRAM 是系统 RAM 存储区该 区包括 I/O 映像区以及各类软设备如逻辑线圈数据寄存器定时器计数器变 址寄存器累加器等 CPU 和带备用电池的 SRAM 都放在嵌入式 PLC 芯片组上 其他输入输出口和通 讯口放在主板上下面介绍这部分的硬件原理 4.1 输入输出口的设计 PLC 的输入/输出系统是过程状态与参数输入到 PLC 以及 PLC 实现控制时控制 36 信号输出的通道它提供了各种操作电平和驱动的输入/输出接口模板以实现被控 过程与 PLC I/O 接口之间的电平转换电气隔离串/并转换A/D 与 D/A 转换等
4、功 能 根据他们所实现的功能不同 可将 I/O 通道分为以下几种 模拟量输入通道 AI 模拟量输出通道AO开关量输入通道DI开关量输出通道DO脉冲量输 入通道PI14 点 PLC 具有 8 路开关量输入6 路继电器输出36373839404344 4.1.1 输入口设计 开关量输入通道DI用来输入各种限位开关继电器或电磁阀门的起闭状态 各种开关及手动操作按钮的开关状态等输入信号一般为 024V 或 012V 直流电压 信号但是有时也可输入交流电压信号或触点现场的离散信息通过该输入模块送 给 CPU 处理数字量输入的最主要问题是隔离问题尤其是一些开关量输入信号 如隔离不好 较强的电磁干扰就会引入
5、到系统中 影响系统的正常工作 因此在 PLC 中数字量的输入都采用光隔离器件将现场与 PLC 实现电气上隔离从而保持系 统工作的可靠性 现场输入的数字量大多是开关量开关量一般是直流信号个别情况下也有交 流信号我们采用的是直流开关量图 4.1 所示为开关量输入模块图采用内部 12V 直流电源I0 是输入端子P3.7 为 CPU 端口图中只画出对应于一个输入点的输入 电路各个输入点所对应的输入电路均相同图中 U11 是光耦合器 TLP180发光二 极管与光敏二极管封装在一个管壳中当二极管中有电流时其发光此时光敏晶体 管才导通R20 为限流电阻C22 为滤波电容可滤除输入信号中的高频干扰R55 和
6、R46 为分压电阻因为 CPU 采用 3.3V 供电 U11 TLP180 R20 3K R46 5.1KC22 104 5V112V2 GND1 I0P3.7 R55 3K 图 4.1 开关量输入单元 37 其工作原理是当 I0 和公共端 12V 的地短接时光耦合器导通表示输入开关 处于接通状态P3.7 为高电平该电平经滤波器送到内部电路中当 CPU 访问该路 信号时将该输入点对应的输入映像寄存器状态置 1当 I0 断开时光耦合器不导通 LED 不亮表示输入开关 S 处于断开状态此时 P3.7 为低电平该电平经滤波器送 到内部电路中 当 CPU 访问该路信号时 将该输入点对应的输入映像寄存器
7、状态置 0 4.1.2 输出口设计 开关量输出通道DO用于控制电磁阀门继电器指示灯声光报警器等 一般只具有开关两种状态的设备根据所用器件的不同一般有继电器输出晶 体管输出和晶闸管输出等多种形式一般输出 024V 或 05V 直流电压信号有时 根据需要也可输出交流电压信号 工业现场很多设备的起停以及生产过程中工作方式的转换均是由一个位置信 号或者说是0或1信号控制的用 PLC 输出这样的信号时对现场设备进行 控制是很容易实现的为满足现场的要求PLC 提供了多种输出接口可极大地满 足工业现场的各种要求我们采用的是继电器输出方式采用继电器隔离继电器 输出模块输出实际上是将 PLC 内部不同的输出信号
8、转换成输出继电器触点的不同动 作触点闭合对应内部输出信号1触点打开对应内部输出信号0输出继电 器既可以带阻性负载也可带电感性负载负载电压可以是交流也可以是直流的 其电压也有各种不同范围的负载电流可以从 1A 到几安继电器输出模块适用于驱 动电磁线圈各种阀门等是一种用途广泛的输出模块图 4.2 所示为继电器输出模 块图图中二极管和 NPN 型达林顿管是封装在 ULN2003 里面的ULN2003 提供了 7 路达林顿管用于驱动大电流器件如 LED 管继电器等最大电流 500mA最 大集电极电压为 30V它输入接受 TTL 电平输出为开漏输出型在基极还有 2.7K 欧的限流电阻同时基极和发射机还有
9、 7.2K 欧和 3K 欧的分压电阻ULN2003 中的 二极管这里起续流作用当线圈由导通突然断开时给电感线圈续流防止电压突 变74HC04 由 3.3V 供电起驱动 ULN2003 的作用电阻 R8 和电容 101/1KV 吸收 外部的高频尖峰防止对内部电路产生干扰OCOM0 是输出公共端O0 是输出端 38 K1 PA1a- 12V 12V1 R8 10K C22 101/1KV OUT0 OCOM0O0 P1.0 12 147 U2A 74HC04 3.3V GND1 NPN DAR 12V1 图 4.2 继电器输出单元 工作原理如下 当内部映像输出继电器为 1 时 端口 P1.0 输出
10、 0 反向器 74HC04 输出 1达林顿管导通继电器吸合其常开触点闭合表示输出点接通反之当内 部映像输出继电器为 0 时输出点断开 4.1.3 输入输出显示设计 输入输出指示灯由 CPU 判断输入输出口的状态后直接输出相应的状态经过 74HCT244 驱动 LED 发光二极管LED 需要 4mA 就可以显示用 74HCT244 就可 以满足驱动要求 4.2 通信口的设计 随着 PLC 应用系统控制规模的扩大化和控制功能的复杂化常常需要 PLC 与 PLCPLC 与计算机以及外围设备相连构成分布式控制系统通讯接口的作用时在 PLC 和外部设备之间建立一个数据通道使操作员可以通过外部设备改变 P
11、LC 的工 作方式并为 PLC 输入程序改变状态或将 PLC 的程序或状态送到外部设备我们 设计了三个通讯接口串口 0 跟上位机或人机界面通讯通过该口可以监控 PLC 数 据和状态而且还可以下载梯形图串口 1 实现 PLC 联网通讯不过需要把 RS232 口转化成 RS485 接口CAN 实现和远程 I/O 以及其他模块的通讯扩展 PLC 功能 4.2.1 串口通信设计 串行通信接口标准经过使用和发展目前已经有几种但都是在 RS-232 标准的 基础上经过改进而形成的RS-323C 标准是美国 EIA(电子工业联合会与 BELL 等 公司一起开发的 1969 年公布的通信协议它适合于数据传输速
12、率在 020000b/s 范 39 围内的通信由于通行设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备因此它 作为一种标准目前已在微机通信接口中广泛采用3334 串口的原理图如图 4.3 所示图中只串口 0 的原理图部分串口 1 的原理图与此 相同为保证 PLC 的可靠性对通信端口也要隔离采用安捷仑的高速光隔 6N137 具有体积小寿命长抗干扰性强隔离电压高高速度与 TTL 逻辑电平兼容等 优点数据的波特率可达 10Mbps74HC04 驱动发送信号 TXEIA-RS-232C 与 TTL 转换EIA-RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态与 TTL 以高低电平表示逻辑状 态的规定不同
13、因此为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器件连接必须在 EIA-RS-232C 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换实现这种变换的方法可 用分立元件也可用集成电路芯片目前较为广泛地使用集成电路转换器件我们 使用美信的串口电平转换芯片 MAX232ACSE R1 IN 13 R2 IN 8 T1 IN 11 T2 IN 10 GND 15 V+ 2 V- 6 VCC 16 R1 OUT 12 R2 OUT 9 T1 OUT 14 T2 OUT 7 C1+ 1 C1 - 3 C2+ 4 C2 - 5 U7 MAX232ACSE C31 105 C34 105 C32 105 C35 10
14、5 C33 105 5V2 GND2 GND2 5V2 R15 1M R16 1M GND2 GND2GND2 FTX0 FRX0 FTX1 FRX1 R14 1M R17 1M RS232IN0 RS232IN1 RS232OUT0 RS232OUT1 NC 1 A 2 K 3 NC 4 VCC 8 VE 7 VO 6 GND 5 U3 6N137 NC 1 A 2 K 3 NC 4 VCC 8 VE 7 VO 6 GND 5 U4 6N137 R8 300 R9 300 R2 3K R3 5.1K 5V2 5V2 5V1 FRX0 FTX0 GND1 GND2 RX0 GND1 R64 5
15、.1K GND1 TX0 GND1 3.3V 34 147 U1B 74HC04 图 4.3 串口原理图 40 4.2.2 CAN 通信口设计 CAN 总线问世以来由于其高通信速率高可靠性连接方便和高的性能价格 比等突出优点深得许多工业应用部门的青睐CAN 控制器有独立的 CAN 控制器 如 PHILIPS 的 SJA1000 也有带 CAN 的为控制器 如摩托罗拉的 MC68HC05X4 等 Silicon Labs 的 C8051F040 是带 CAN 控制器的C8051F04x 系列器件中的 CAN 控 制器是 Bosch 全功能 CAN 模块的完全实现完全符合 CAN 规范 2.0BC
16、AN 核提 供移位CANTX 和 CANRX消息的串/并转换及其它与协议相关的任务如数据 发送和接收过滤消息 RAM 可存储 32 个可以在 CAN 网络上接收和发送消息对 象CAN 寄存器和消息处理器为 CAN 控制器和 CIP-51 之间的数据传送和状态通 知提供接口图 4.4 是 CAN 总线的接口原理图为了防止干扰也要采用高速光隔 6N13774HC04 也作为驱动发送信号PCA82C250 是 CAN 控制器和物理总线间的 接口它可以提供对总线的差动发送能力和对 CAN 控制器的差动接受能力为了保 证长线传输的信号完整性在 CANH 和 CANL 之间加匹配电阻 110 欧 NC 1 A 2 K 3 NC 4 VCC 8 VE 7 VO 6 GND 5 U10 6N137 NC 1 A 2 K 3 NC 4 VCC 8 VE 7 VO 6 GND 5 U9 6N137 R13300 R12 300 R7 5.1K R6 3K 5V2 PCANTX GND2 5V2 PCANRX 5V1 CANRX
