轻量级PLC硬件设计

山东交通学院 赵天怀 胡冠山

设计了一种基于STM32单片机的轻量级PLC控制器。本文主要论述控制器的通讯电路及模拟量电路，包括485通讯电路、CAN通讯电路、以太网通讯电路设计和模拟量混合输入/输出电路设计与仿真。

PLC因其编程方便，控制稳定可靠，抗干扰能力出色被广泛应用于大规模工业生产场合，但是在小规模生产场合中使用PLC却又存在价格高贵、维护成本高等问题。针对上述问题，本文采用STM32单片机设计了一种适用于小规模控制场合的轻量级PLC控制器。

1 主控单元通讯模块

1.1 RS485通讯电路

RS485是工控领域最常用的通讯接口之一。采用平衡发送和差分接收的方式，逻辑电平为两信号线间的电压差，其中2V～6V为高电平，-2V～-6V为低电平，差分接收的方式大大增强了485总线的抗扰动能力。此外，一个主机带多个从机的多点通讯方式是485总线在工控领域被广泛应用的另一重要原因。其缺点是为半双工工作方式，收发不能同时进行。图1所示为RS485电路原理图。

图1 RS485电路原理图

图中U10数字隔离芯片与J10光耦器件实现了单片机网络与485网络之间的电气隔离。电平转换芯片使用SN653082E实现。因为RS485的A，B总线之间的电平差非常小，所以使用上拉电阻R7将总线A的电平上拉至电源电压，下拉电阻R8将总线B的电平拉低，从而保证在通讯的过程中A，B总线不会因电平差太低而导致通讯错误。与此同时，输出端使用双向TVS二极管保护内部电路免受浪涌脉冲的冲击。

在PCB布线时，因485总线两线间为差分信号，布线时AB两线应尽量靠近、平行等长布线，以减少来自外界环境的干扰。

1.2 以太网通讯电路

本文以太网通讯电路采用CH395Q。其自带10/100M的MAC层和物理层，完全兼容IEEE802.3的10/100M协议，内置了IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太网协议栈固件。CH395支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口。其硬件电路如图2所示。

图2 CH395原理图

本文采用SPI通讯接口。P1为RJ45端口，用于连接网络设备，RJ45未使用的引脚，通过75欧姆电阻对地接1000P/2KV电容。U13为网络变压器，将单片机网络与以太网网络进行电气隔离，并起到阻抗匹配等作用。网络变压器中心抽头接3.3V，未使用引脚同样通过75欧姆电阻下拉电阻对地接1000P/2KV电容，屏蔽干扰信号。R59为以太网信号调节电阻，可选12-18K的电阻。

PCB布线时，R50-R53，C51，C52应尽量靠近TS6121C芯片的第5脚。网络变压器TXOP（RXIP）引脚与TXON(RXIN)引脚输出差分信号，布线时应靠近平行等长走线，并在两侧覆铜，减少来自外界的干扰。晶振元件应尽量缩短信号线长度，并在附件布置地线或者覆铜。

1.3 CAN总线通讯电路

图3所示为CAN通讯电路原理图。电平转换芯片使用TJA1050T，其具有高速（默认）和静音两种工作方式，因默认的高速模式拥有较好的EMC性能，故通过将8号引脚接地的方式将工作模式设定为高速工作模式。与485电路相同，使用数字隔离芯片U30将CAN和单片机电源网络进行隔离，DR30和DR31使CAN收发器免受外部瞬态电压的干扰。

图3 CAN通讯电路

2 模拟量扩展模块

2.1 电压电流混合输出电路

图4所示为电压电流混合输出电路原理图，电路以LM321运算放大器和三极管为核心器件，由图中虚线出分开，分别输出电压和电流。电阻R40和R42进行分压保证光耦器件的速率，两级RC低通滤波器滤除频率大于f=1/ 2πRC=15.9Hz的高频干扰，电阻R50起高阻输入和限流的作用，OP6同向放大器将电压放大3倍。

图4 电压电流混合输出电路原理图

恒流输出端通过三极管T4的基极电流控制运放的反馈输入从而做到恒流输出，输出可通过调整反馈电阻的阻值进行调整。输入电阻和反馈电阻应选用具有低温漂特性的精密电阻器件，以保证输入输出具有清晰的线性关系。

2.2 电压电流混合输入电路

图5所示为电压电流混合输入电路原理图，电路以LM321运算放大器为核心器件，图中左侧为电压采集电路原理图，右侧为电流采集电路原理图。

图5 电压电流混合输入电路原理图

电压采集电路由分压电路和两级运算放大器电路组成。前级差分运放用来抑制温漂，其输出电压为：

后级放大器为电压跟随器，利用其高输入电阻、低输出电阻的特点隔离负载对输入端的影响。仿真电路如图6左图所示。

图6 电压电流混合输入电路仿真电路

电流采集电路同样由两级运算放大器组成。电阻R22和R29将输入电流转换为电压作为运算放大器的同向输入电压，前级放大器输出端电压为：

后级运算放大器同样为电压跟随器，隔离输入与输出。仿真电路如图6右图所示。

结论：本文介绍了基于STM32微型控制器的硬件电路设计，主要包括微控制器的485通讯、以太网通讯、CAN通讯电路和电压电流混合输入、输出电路。详细介绍了各个电路的器件选型，电路原理以及部分电路的仿真结果。设计方案和设计思路可为轻量级控制器的发展提供参考。

基金项目：山东省交通运输厅科技计划项目“基于云计算的城市交通瓶颈与区域路网协同控制研究”（项目编号：2017B96）。