基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架研究

陈占标

泉州市天志智能科技有限公司，福建 泉州 362000

0 引言

ARM Cortex-M4主要应用于传感、决策、中断驱动等领域，具有功耗低、成本低、性能高、扩展性好等特征[1]。但与C语言相比，基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架不够直观，编程难度较大，对基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架应用发展产生不利影响。对此，本文构建PLC结构化汇编框架模型，根据框架设计原则，设计具有可移植性，包括CAN模块扩展站点分配功能和PID功能的框架，并对PLC框架进行测试分析，旨在为学习者有效学习及提升编程效率提供借鉴与参考。

1 PLC结构化汇编框架模型构建

PLC结构化汇编框架可应用于汇编编程，在具体编程时，可以应用硬件抽象层、软件构件层、应用层三层逻辑架构[2]，具体如图1所示。

图1 结构化汇编框架

硬件抽象层应用嵌入式系统，该系统可以将硬件与软件系统融合，有利于明确硬件与软件之间的关系[3]。在具体应用中，硬件层应用于芯片上电后复位启动与编译链接中，可以对设备外设的硬件寄存器地址和异常进行自整定处理。

软件构件层具有可重复性、规范性、嵌入性特征，是组织嵌入式系统的功能单位[4]。需要注意的是，应用构建是封装而成的，所以在编程过程中，需要调用底层驱动构件。应用层包括中断服务例程、用户主程序等。

2 PLC结构化汇编框架设计原则

基于软件工程理论的分析可知，保证结构的清晰性是PLC结构化汇编框架设计的基本点。在文件内容安排方面，应保证其具有合理性、易修改性、可扩展性等特征[5]。为保证软件开发效率与质量，在设计PLC结构化汇编框架过程中，

应遵循以下几点原则，即可复用、可维护、可移植等基本思想原则。

每款芯片都有其自身的初始化文件，为保证框架汇编的有效性，可以将这些芯片的初始文件组织在一起，避免在对某款芯片开发过程中，特意修改某一文件[6]。

PLC结构化汇编框架设计需要对芯片相关程序框架文件、软件构件文件、主程序文件等进行汇编。为提升汇编效率，提升阅读清晰度，需要将这些文件分类，并将分类号的文件组织放在统一的文件夹下，实现目录结构的合理分类。

不同的开发环境需要不同的配置，在设计PLC结构化汇编框架时，需要将所有工程配置文件，如链接文件等，组织在一起，避免在同一开发环境下，进行重复配置，并提升不同环境下查找配置文件的便利性[7]。

在设计PLC结构化汇编框架时，应根据软件商的分层思想，将软件构件分为底层驱动构件、应用构件、高层软件构件[8]。同时，在设计过程中，可以将不同层次的构件存放在不同文件夹中，保证文件的功能明确，结构清晰。另外，在制作构件过程中，应对构件的共性、特征进行分析，在提取构件属性的基础上，使构件移植到不同的环境中，最大程度避免源程文件的修改。

在编译链接过程中，源程序将产生机器码文件，用户可以通过下载该文件的方式，在目标板中运行，经过重新编译后，文件极有可能发生改变，这些新文件需要单独存储[9]。

3 PLC结构化汇编框架结构与设计

3.1 框架的结构组织

PLC结构化汇编框架的技术参数如表1所示。基于技术参数分析，根据框架模型中的相应顺序，对框架中的文件夹进行编号，为明确程序的运行情况，通常设置LED闪烁功能，加入了LED闪烁相关指示文件[10]。当主机功能不够用的情况，增加了CAN扩展功能，当主机与扩展模块通信正常时：主机处于STOP时，扩展的RUN灯间隔1.5s闪烁一次；当主机处于RUN时，扩展的RUN灯基本与主机闪烁一致；当主机与扩展模块通信当通信中断时：扩展的RUN灯熄灭，并关闭所有输出。在此基础上，添加了CAN模块扩展站点分配功能（表2）和PID功能（功能选择见表3）。

表1 PLC结构化汇编框架的技术参数

表2 CAN模块扩展站点分配

表3 PID功能选择说明

3.2 框架设计分析

在框架设计过程中，需要注重分析工程文件夹的内容情况，文件夹内除基础编程环境需要保留的文件夹外，添加编号的子文件夹的个数、名称应固定[11]。同时，框架设计应保证框架能够在不同的CPU、芯片与开发环境中移植，并对移植时修改的内容进行说明。

3.3 主程序文件设计

整体而言，PLC结构化汇编要包含名为main.s的汇编主程序文件，同时要保证汇编程序具有简洁性和清晰性。主程序文件main.s包括以下几点。

（1）工程描述：工程名、版本、日期等。若在调试过程中有新的添加内容，可以在原有基础上进行补充，目的在于便于使用，且能够提供备忘信息。

（2）总头文件：对头文件、宏定义（主程序文件中）等进行声明[11]。

（3）主程序：本框架中，将主程序设计为初始化与主循环两部分。其中，主循环代表的是程序工作循环。在实际运行中，可以根据实际需求进行设计，但程序段不宜过长，具体功能需要在调试后实现。

（4）内部直接调用子程序：若存在不能单独存RAM的子程序，可以存放在内部直接调用子程序中[11]。若有多个子程序，需要单独存在外部Flash，并进行独立校验。

（5）外部子程序：若外部子程序使用的是独立存RAM的子程序，可以使用“.include”包含[12]。

（6）程序加密：下载程序时自动读取ARM Cortex-M4芯片与外部Flash自带的ID号，并且进行无序打散，从二进制转换成十六进制，无序存放在ARM 芯片与Flash的某些位置，再次上电后，系统自动验证该配套ID号。

4 PLC结构化汇编框架测试

首先，在开发环境中导入汇编框架，创建需要测试的工程内容，并调用GPIO构件，实现LED灯闪烁功能[12]。其次，根据上述主程序的设计方法编制主程序。最后，将测试工程编译链接后，下载到目标板上，重新通电运行，能够观察到LED灯间隔闪烁，RS485、RS232、CAN通信正常，且运行稳定。通过测试结果分析可知，PLC结构化汇编框架规范、有效，能够为微处理器深层次的应用开发和汇编语言研究提供便利途径。

5 结语

本研究主要介绍了基于ARM Cortex-M4的PLC结构化汇编框架，设计了层次性框架模型，阐述了框架设计原则，并对设计进行详细分析。通过框架测试，结果表明框架具有实用性，可以提升汇编程序的可移植性，并能够降低相关人员学习基于ARM Cortex-M4-PLC结构化汇编程序的难度，具有现实应用价值。