任源博

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

PLC软开发控制系统是单片机应用领域的有机组成部分，并在自动化通信中，以其强抗干扰能力及其一键式工艺参数设计，促进了单片机的长远发展。随着单片机技术的发展，嵌入式PLC软开发（Embedded PLC soft development）成为单片机编程接口通信中使用较为广泛的技术形式之一。不可忽略的是，基于PLC控制系统在单片机中的应用，以其抗干扰措施加速了单片机的发展，并为进一步满足PLC用户需求提供了可能。现就单片机技术下的嵌入式PLC软开发设计分析如下。

1 设计原因

基于单片机PLC控制系统中，受电源波形畸变、电路耦合、输入元器件触点抖动、电容性和电感性等诸多干扰因素制约，直接程度上降低了系统开发的性能。究其原因，在PLC控制系统下的GTR（电力晶体管，Giant transistor）、GTO(门级可关断晶闸管，Gatelevel thyristor can be turned off)等电力半导体器件，本身对谐波、噪声等干扰易感。同时，受PLC接地点选择不当或接地不良导致回路公共阻抗发生耦合，产生电流对PLC控制系统产生的干扰。此外，输入元器件触点的抖动受现场振动裂变，误信号而形成干扰。由电容引发的电容性干扰（电容耦合对PLC控制系统产生干扰），干扰源中交变磁场通过干扰对象中的电感性元件耦合成为系统干扰中需要关注的问题。

2 设计目的

嵌入式PLC软开发系统的设计，是计算机系统参与各类信号处理和控制的显示。在工农业生产、生产效率提升中起到了助推作用。比之传统PLC ，在可靠性、体积、资源扩展能力、开放架构、用户需求上等均得到了大幅度提高。与此同时，还在国民经济、社会诸多领域中起到了有效的控制效果。

3 设计工序流程

3.1 设计方案选择

首先，从硬件电路上着手设计，即通过确定合理的硬件设计方案，加强系统的抗干扰能力。设计要点为，抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。其次，从硬件设计角度入手，合理配置相应供电电源，选择高性能设备、正确接地点、接地方式等有效措施，做好诸环节控制，以达到提高系统抗干扰能力。具体硬件结构如图1所示。

图1 嵌入式PLC硬件原理框图

3.2 抗干扰能力设计

首先，从电源系统上着手，抑制电网引入，加强系统抗干扰能力，采用隔离性能较好的电源。使用环节，将电源与系统动力设备分开配线，利用PLC控制系统的抗干扰能力，提升系统的抗干扰能力。基于系统本身干扰问题，需在PLC控制系统抗干扰基础上，采用带屏蔽层的隔离变压器进行供电，配合接线路滤波器，以有效抑制交直流电流在系统中产生的干扰。接地系统设计上，旨在保障系统安全、抑制干扰。接地方式依照不同情况，选择浮地、直接接地、电容接地等方式。从适用性来讲，直接接地（串联一点接地式和并联一点接地式）具有操作简单、性能影响下、抗干扰能力强的特点。以PLC控制集中系统中，并联一点接入式为例，适用于各个装置中柜体中心接地点。以单独的接地线引向接地极。装置间距较大者，采用串联一点接入式接地方式。

3.3 软件设计

软件设计方案选择，是加强单片机PLC控制系统抗干扰能力中与硬件结构设计并重的设计重点。在设计中，需综合考虑错误信号的设计屏蔽，以避免错误信号加剧导致的干扰。

具体方法为应用两个内部定时器，限定PLC控制系统只在该开关正常发信号的时间内采样。嵌入式软PLC硬件结构设计中，通过外部输入开关量——光电隔离后连接到FPGAI／O口（FPGAI/O口分配电路）——FPGA地址译码——数据地址总线与CPU（中央处理器，Central Processing Unit / Processor）相连——通过数据地址总线获得和设置输入量工作状态。嵌入式软PLC的软件结构设计内容涉及编辑状态、生产过程应用程序两大部分。且结构模块设计中，用以实现程序输入、编译、执行和监控。具体模块间数据传输设计流程如表2所示。

图2 模块间数据传输设计流程

3.4 基于EASY CORE芯片组的嵌入式PLC软件平台设计

以EASY CORE的PLC芯片组应用为例，通过加载嵌入式PLC软件平台来达到满足用户使用目的。在PLC内部结构中，以其混合式高性能单片机，I/O端口，CAN2．0B集成控制器，ADC、PGA和模拟复用开关（ADS1262 具有PGA、内部参考和辅助ADC的高分辨率、32位、38 kSPS ADC），DAC、64KB可 编 程 Flash存 储 器，RAM、SPI、SMBus/I2C，UART串行接口、通用定时器、可编程计数/定时阵列捕捉/比较模块、定时器、VDD监视器、温度传感器等构建，且能够耐受-45～+85℃、2．7～3．6V的工作范围和工作电压的设计参数，很好地与设计初衷相吻合。

在设计方面，通过设置开关交叉控制寄存器，实现了定时、自动转换、自动中断、信号瞬时输出的效能。实时操作系统控制中，通过加载FX2N PLC，实现了梯形图语言监控程序、指令系统、通信格式、FX2NPLC等的相互兼容。软件编程的加载实现了通用组态软件监控。在用户驱动开发接口中，以其嵌入式汇编程序、I/O点配置、AD/DA等诸多功能，实现了程序代码存放地质存储效能、用户可使用中断源、用户使用区(20H～23H)、寻址寄存器用户使用区(58H～67H)、外部RAM用户使用区(3600H～3FFFH)、PLC资源区(输入位地址范围为CIO 0 ～CIO 99，输出位地址范围为CIO 100 ～ CIO 199)……

3.5 设计可行性分析

单片机技术下的嵌入式PLC软开发，以其C+、嵌入式系统共享CPU，满足了系统可靠性PLC和嵌入式的无导线连接，高级功能显示屏、系统编辑键等均可实现对PLC的自如编辑操作。此外，以RT-Linux操作系统的嵌入式PLC设计及实现中，通过其在数控机床中的应用，以其可编程控制器（PLC）实现了对机床开关量信号的有效控制。在工业PC机的数控系统应用中，通过采用开关量I/O板、外接继电器、主机软件系统来实现对机床开关的有效控制。通过采用RTLinux操作系统嵌入式PLC，实现了开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环设计效能。

单片机技术下，嵌入式PLC软开发以其可编程控制效能，在工业控制领域中得到了越来越广泛的应用。比之常规技术，在设备兼容性、高速计算性能、通信能力上有着显著的对比效果。

文章就嵌入式PLC软开发硬件结构和软件设计进行了分析，在EASY CORE芯片组的嵌入式PLC软件平台设计和RT-Linux操作系统的嵌入式PLC设计及实现中，通过其在应用领域的价值，证明了该项设计具有极大的可行性。