基于STM32的嵌入式PLC的设计

广东工业大学 黄伟鑫

1 引言

采用嵌入式PLC的方式去设计系统，能够提高开发速度，对于用户的个性化需求可以进行灵活的设计，这样就可以达到定制的效果[1]。同时，也可以增强小型控制系统的设计和应用能力，更贴近客户需求的个性差异化设计要求。用户可以自己选择合适的硬件来组成满足要求的嵌入式PLC。

2 硬件结构的设计

本系统是在对三菱FX系列PLC的充分研究其硬件结构和工作原理的基础上设计的嵌入式PLC。选用STM32F103ZET6为核心处理器，最高达72MHz的时钟速度，1.25DMips/MHz，512K字节的闪存程序存储器 ，64KB RAM，LQFP-144脚封装,还有其他模块电路辅助完成相应的功能[2]。嵌入式PLC系统搭建的硬件电路框架图如图1所示。采用RS232和RS485通信协议，不仅可以用于程序下载，而且可以用于基本数据的访问。

图1 硬件电路框架图

图2 程序结构框图

其中，下载电路模块是给STM32F103ZET6芯片下载固化程序用，而对于最终PLC程序的下载则是通过串口通讯模块完成。由于STM32F103ZET6芯片上有3个12位模数转换器和2通道12位D/A转换器，所以模拟量输入使用芯片内部的A/D转换电路，无须外扩芯片；8路A/D为12位ADC逐次逼近型模拟数字转换器；2路D/A为12位数字输入电压输出的D/A转换器。使用6N137芯片和PWM脉宽调制波形的方法进行脉冲设计。

3 软件方面的设计

嵌入式PLC软件设计主要分为两部分设计[3]。第一部分为梯形图程序下载设计，该部分主要是遵循FX2N型PLC的通讯协议，实现基本数据访问以及程序下载功能。第二部分为PLC程序解释执行设计，程序先从内置Flash中取PLC指令，然后判断是何种指令，若是END指令则直接跳出程序，否则执行相应的程序。

采用Keil软件进行编程，C语言作为程序开发工具，将系统程序主要分为主芯片配置模块、输入输出模块、定时计数模块、串行通信模块。通过对每一个模块进行设计和调试，最后进行系统程序的整体调试[4]。系统程序结构框图如图2所示

3.1 梯形图程序下载

当梯形图程序下载时，嵌入式PLC会完成与上位机的相互识别，等待程序下载到嵌入式系统中，然后把程序写入到嵌入式PLC中。此时，嵌入式PLC需要对接收的数据进行处理，校验完后对错误的数据信息删除，之后对操作码和操作数的数据存储起来[5]。

3.2 梯形图程序的解释执行

嵌入式PLC工作于梯形图程序解释执行时，需要Memory的初始化，I/O的初始化和中断的初始化，然后载入X值，将输入值映像到寄存器中，即输入扫描，接着进行指令执行，对每一条指令进行判断，判断该指令是否是END指令，如果不是，则要对每一条指令进行解释执行，解释执行完当前指令后继续取下一条指令并解释执行，如此循环不断。如果是，则进入输出刷新，输出Y值。

4 结束语

本文从硬件和软件两个方面对嵌入式PLC系统进行了分析，根据三菱FX系列PLC的工作原理及功能，完成了嵌入式PLC的设计。与传统 PLC 相比较，该嵌入式PLC能够解决传统PLC成本高、兼容性差、通用性差等问题，嵌入式 PLC 不仅能支持梯形图开发，而且没有增加工程师的开发难度。同时，系统集成了通信功能，可以满足不同的工业控制需求，为未来某些工控领域的特定场合控制器的选择提供了新的选择。

[1]陈辉,李坚强,裴海龙,等．基于梯形图语言的软PLC技术研究与实现[J]．微型计算机信息,2006．

[2]王晓光．嵌入式PLC的设计与研究[D]．成都∶西华大学,2013．

[3]李雪莲．嵌入式PLC的设计及通信功能的扩展[J]．电子设计工程,2015(17)∶168-171,174．

[4]严奎．嵌入式PLC编程软件开发[J]．工业控制计算机,2012,25(10)∶67-70．

[5]李冠军．基于Cortex-M3的嵌入式PLC设计和开发[D]．天津工业大学,2013．