基于C8051F单片机的嵌入式PLC系统的研究.pdf

一嵌入式系统!皇皇宴塑些!里Q!圭蔓兰!堂苎兰塑C o n t r o lT h e o r y&A p p l y基于C 8 0 51F 单片机的嵌入式PL C 系统的研究R e s e a r c ho nE m b e d d e dP L CS y s t e mB a s e do nC 8 0 51F中国石油大学(华东)信息与控制工程学院(山东东营2 5 7 0 6 1)高春侠张磊(C h i n aU n i v e r s i t yo f P e t r o l e u m,C o l l e g eo f I n f o r m a t i o na n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g,D e p a r t m e n to f E l e c t r i cE n g i n e e r i n g，D o n g y i n gS h a n d o n g2 5 7 0 6 1，C h i n a)G a oC h u n x i aZ h a n gL e i摘要：主要介绍基于C 8 0 5 1 F 0 2 0 单片机嵌入式P I E 的开发，它以C 8 0 5 1 F 0 2 0 为中央处理单元，与数字输入、输出，模拟输入、输出，串行通讯等外围电路共同构成嵌入式P L C 的硬件系统，通过对通用P I E 的工作原理进行分析，编写系统程序，最终能够解释、执行梯形图程序，实现P I E 的循环扫描、数字输入输出、模拟输入输出、定时器等功能。通过介绍这个开发过程，向读者提供一种嵌入式P L C 的设计思路。关键词：P L C 单片机嵌入式系统嵌入式P L A b s t r a c t：T h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dt y p eP I Eb a s e dO i lt h eC 8 0 51F D 2 0m i c r o p r o c e s s o rw h i c hi st h eC P Uo ft h ee m b e d d e dP I E，a n dt h ed 酾t a lI 0，a n a l o g u eI Oa n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt o g e t h e rc o n s t i t u t et h eh a r d w a 地s y s t e mo fP L T h r o u g ha n a l y z i n gt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h eg e n e r a lP I E，d e s i g n i n gt h es y s t e mp r o g r a mt or e a l i z eP I EF u n c t i o n s T h ep a p e rm a l I I l yp r o v i d e sad e s i g ni d e ao fe m b e d d e dP r o g r a m m a b l eL o g i cD e v i c e st i l r 0-s ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s K e y w o r d s：P I EM i c r o p r o c e s s o re m b e d d e ds y s t e me m b e d d e dt y p eP L C【中图分类号】T F 2 7 3【文献标识码】B【文章编号】1 0 0 0 3 8 8 6(2 0 0 9)0 3 0 0 5 5 0 31引言P L C 因其自身的优点在自动控制过程中受到广泛的青睐，承担着重要角色。由于P L C 的梯形图语言简洁、直观且面向工艺流程的特点，使控制装置中的硬件管理和面向控制流程分离。嵌入式P L C(E m b e d d e dT y p eP I E)是指在特定的控制装置中，实现P I E 梯形图编程语言的解释、执行，使特定装置在自身专用功能基础上具有P IE 的基本功能。与普通P I E 相比它具有以下优点：(1)定制性强。扩展灵活以最小系统为中心，可扩展各种功能板。可实现普通P L C 不提供或价格昂贵的功能。比如：G P R S、E t h e m e t、红外遥控和通信等。(2)性价比高可以根据现场需要，去除不使用的功能。节省成本和系统复杂性。本文以C 8 0 5 1 F 0 2 0 单片机为控制核心，介绍了一种嵌入式P I E 的设计思路。2 工作原理2 1C 8 0 5 1 F 0 2 0 简介C 8 0 5 1 F X X X 系列单片机是美国C Y G N A L 公司推出的一种与5 l系列单片机内核兼容的单片机。相比之下其新特点(以C 8 0 5 I F 0 2 0为例)有：(I)内核采用流水线结构，是单周期指令，速度可达2 5M I P S(茗E 2 5 M H z 晶振下)，比普通的5 l 单片机快l O 倍；它的J T A G 调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。(2)片上集成有6 4k Bn A S H，4 3 5 2B 内部R A M(2 5 6+4 k B。可外扩至6 4 k B)、5 9 个I 0 口、含有模拟多路选择器、可编程增益放大器1 2 位A D E(速度l O O k b S)、D A C、3 路模拟比较器、内部电压基准等。由于C 8 0 5 1 F X X X 的高集成度，因而无需外扩R O M、R A M、A D、D A、W A T C H D O G、可编程I O 口和E 2P R O M，从而大大简化了外围硬件电路，提高了系统的可靠性。(3)可编程的1 6 位计数器阵列(P C A)有6 个捕捉比较模块和5个通用1 6 位计数器定时器，这可为多时基系统提供硬件条件。(4)片内集成有2 个U A R T、1 个S M(兼容1 2 C)和1 个S P I。C 8 0 5 l F X X X 集成了C A N 总线控制器，可广泛应用于干扰环境非常严重的各种工业现场测控领域。C 8 0 5 l F X X X 只需加上C A N 总线收发电路就可挂接到C A N 通信网络上，因而大大简化了通信系统的设计，提供C A N 功能。2 2 主控电路以C 8 0 5 I F 单片机为主控芯片，配合外围电路可以实现数字量的输入输出、模拟量的输入输出。同时可以利用单片机的C A N总线控制器提供C A N 功能。主控电路图见图l。3 电路设计3 1 数字输入数字输入接口是可编程控制器和控制现场数字致字量模拟量图1C 8 0 5 1 F 单片机主控电路万方数据 电气自动化)2 0 0 9 年第3 1 卷第3 期一嵌入式系统一C o n t r o 1 T h e o r y&A p p l y 图2 数字输入电路图量连接的输入通道。输入信号一般为按钮开关、选择开关、限位开关等开关量，这些信号都要经过输入接口送入P L C。但是这；帆引些信号可能存在过压、过流、抖动等因素，因此必须搭建光电耦合输入接口电路，以免烧毁嵌入式P L C 的单片机或造成输入错误的信号。搭建电路图如图2 所示。R 2 作为输入限流电阻，阻值可选用5 1 0 欧的，R l 与R 3 的比值为l：2；使单片机引脚输入在3 3 V 左右，满足单片机引脚的电气特性。3 2 数字输出本文D O 为继电器输出，继电器的工作电压是1 2 V，而单片机的数字输出口的逻辑高电平为3 3 V，远不能驱动继电器，因此必须设计光耦驱动电路来带动继电器，同时还能实现光电隔离，避免输出管脚被烧毁。驱动电路如图3 所示。苴圈3 数字输出电路图由于单片机引脚带负载能力弱，同时为了便于与5 V 系统接口，在5 V 侧光耦的下端加一个非门，其数字的逻辑特性没有变。二极管D l 是续流作用，防止继电器关断时产生过压。4 软件设计嵌入式P L C 应具备普通P L C 的功能。首先，嵌入式P L C 应该能够提供用户梯形图编程界面，这就要求单片机具备通讯能力。能从微机中传送用户程序到单片机中，本文采用R S-2 3 2 串行通讯。其次。为了判断用户程序是否有效，并防止用户程序在单片机掉电时丢失，本文通过检验用户程序起始字(本文用0 X A 5 做判断)来判断是否是用户程序开端，并把用户程序存人单片机F L A S H 内，防止掉电数据丢失，当接收到0 X S A 时表示用户程序发送完毕。最后，循环扫描输入口状态，解释用户程序，送出输出结果。程序流程图如图4 所示。4 1 梯形图解释程序用户开发的梯形图程序代码通过串行口被传送人单片机，这些代码对单片机而言只是普通的十六进制数，单片机要想通过这些代码了解用户的意图，并按照用户意图完成对被控制对象的控制，就必须有解释程序对这些程序代码进行解释。例如：梯形图是“输入x o的常开，输出Y 0”，开发时用十六进制代码“F 0 0 1”代表“x o 的常开”，用“c o”代表输出是Y O。那么从串行1：3 传过来的用户程序代码是开始=亡定义变量关看门翻定义系统时钟螭口与特殊功能寄存署嚣初始化启动串行通讯接收数据判断接收字是否是O X 5 7VN把教据存入F L A S H 并维垂丧收散据接收数据是否O X 5?V循环解算否?生接收数据分行二工二运行进行解释根据输入状态执行并送出输出结果结束N图4 程序流程图“F 0 0 1 C 0”三个字节的十六进制数，系统程序必须能够对“F 0 0 1 C 0”这行指令代码进行解释，并最终实现“输入X o 的长开，输出Y o”的功能。可见解释程序是建立在指令代码的基础上进行解释的，开发嵌人式P L C 的系统程序必须先建立与梯形图一一对应的指令代码表，如表l 所示。因为本文只是设计一个嵌入式P L C 的模型并未实现通用P L C的全部功能，表1 只列出本文所做出的能实现的功能指令代码根据需要可另外加人指令代码及功能模块。解释程序的实现方法与步骤如下：(1)定义变量，设置指令代码输入标志位，设置功能行输入标志位。(2)读第一行程序的行输入标志位，有输入程序贝l J 读行中每个字节的指令代码。置位相应代码的标志位无输入则程序转至步骤5。(3)根据指令代码标志位的组合判断本行程序的功能，置位这个功能行输入的标志位；开始定义变量设置各标志位嬲行y!全结束?一八本行是否有!输入?彳根据指令代码置位代码标志位根据代码标志位组合置位行功能标志位清除j令代码标志位根据功能标志位调用、行功眈块清除行功能志位转入下一行结束图5 解释程序流程圈(下转第6 5 页)万方数据测量与检测技术电气自动化)2 0 0 9 年第3 1 卷第3 期输入层隐层1隐层2输出层图4 神经网络模型含1 5 个节点，输出层7 个节点，对应于7 种接地故障类型。k(t)，m=1，2，7，分别代表7 种类型的接地短路故障。隐含层的激发函数为线性函数，输出层的激发函数为s i g，n o i d 函数。理想条件下，用y m(k)=1 表示相应的接地故障出现。反之为0；本文认为IL(_|)一lI 羽3 时即有接地故障发生，否则认为没有。对于每一种接地故障类型，需要从不同接地电阻和不同距离发生故障时得到的3 0 组谱线中随机抽取1 0 组作为神经网络的训练样本，总数据量则是7 1 0 x 3 0X 3=6 3 0 0 个。设置学习速率为0 3，使用t r a n l m 训练函数，该网络在3 5 5 步收敛精度小于l O 一，满足精度要求。然后对待识别的故障进行识别，最后得到的识别率统计如表l 所示：表1各种故障条件下的故障识别率故障类型接地电阻R=0接地电阻R=1 0 0接地电阻R=3 0 0A G9 2 8 8 8 2 B _+G9 2 8 8 8 0 C，G9 0 8 7 8 2 A B C C8 2 7 4 6 6 A B-+G9 0 8 2 7 6 A C G8 9 8 4 7 4 B C-G9 0 7 8 7 4 可见从已经达到了相当高的识别率。其中A B C 短路接地的识别率相对较低，主要是由于三相短路接地时流人地中的相电流与线电流之比非常小的缘因导致的。其他接地故障识别效果较好。6 结论本文提出一种采用接地故障时的电流，作凯伦贝尔变换后，提取电流序分量的形态谱作为识别接地故障类型的新方法。由于使用了形态学算法，计算时间相比小波算法要短，提高了快速性。仿真实验证明，在通常的情况下，本算法有比较准确的故障识别能力。参考文献【1 1D a l 卧e mT K u l i c k eB N e u r a ln e t w o r ka p p r o a c ht of a u l tc l a s s i f i c a t i o nf o rh i g h8 p e _ e dp r o t e c t i v er e l a y i n g J】I E E ET r a mo nP o w e rD e l i v e r y 1 9 9 5，1 0(2)：1 0 0 2 一I O I I【2】F e r r e r oA，S a n g i o v a n n iS，Z a p p i t e H iE Af u z z y-s e ta p p r o a c ht oh u h-t y p ei d e n t i f i c a t i o ni nd i g i t a Ir d a y i n g l J】I E E ET r a mo nP o w e rD e l i v e r y，1 9 9 5，1 0(1)：1 6 9 1 7 5【3】W uQH Z h a n gJF，Z h a n gDJ U l t r a h i g h s p e e dd i r e c t i o n a lp r o t e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e su s i n gm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y J I E E ET r a n sO nP o w e rD e l i v e r y，2 0 0 3。1 8(4)：1 1 2 7 一1 1 3 3f 4】张保会加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力 J 1 中国电机工程学报，2 0 0 4。2 4(7)：l 一6【5 l 夏明超，黄益庄，王勋高压输电线路暂态保护的发展与现状【J 1 电网技术，2 0 0 2 2 6(1 1)：6 5 6 9【6 l 薄志谦新一代电力系统继电保护暂态保护【J 1 电网技术1 9 9 6 2 0(3)：3 4 3 6【7】哈恒旭。张保会，吕志来利用暂态电流的输电线路单端量保护新原理探讨【J】中国电机工程学报。2 0 0 0，2 0(1 1)：5 6 6 1【8】唐常青，吕宏伯数学形态学方法及其应用【M 1 北京：科学出版社，1 9 9 0f 作者简介】谢添卉(1 9 8 2 一)，女，河北沧州人，项士研究生。现从事电力系统故障诊断方面的研究；刘明光(1 9 6 0 一)男四川内江人，教授，博士生导师现从事电力系统故障诊断方面的研究。(上接第5 6 页)表l 指令代码表指令代码输入变量输入变输入变输入变输人变输出输出磊糕模拟输入和输的意义奶耨鄹量定时量足长量是长霉茕变县时器T l出器T I开闭是Y 1O X F O 和O X F A0 X F BO X O l0 X 0 2O X c oO X C lO X F 8 和O X F 2指令代码O X F lO X F 9清除本行指令代标志位。(4)根据功能行输入标志位调用实现其功能的子程序模块实现这一行的功能；清除行功能有输入标志位。(5)读下一行程序的行输入标志位，转人步骤2 循环执行，至所有行结束。其梯形图如图5 所示。解释程序是整个嵌入式P L C 的核心，解释程序的功能块和指令组合种类的多少决定了P I E 所能实现的功能。本文在做的过程中只做了数字输入、输出，模拟输入、输出和定时器三个功能模块，但可以加入更多的功能块，同时还可以加入多种不同指令代码组合的解释，以实现更多的功能。5 结论本论文是以单片机C 8 0 5 l F 0 2 0 的内部资源为硬件基础根据P L C 的原理和工作特点，通过C语言编程实现了一个嵌入式P L C 的雏形，它能够实现P L C 的数字输入、输出，模拟输入、输出，定时器等功能。当然，也存在一些不足比如缺乏友好的人机编程界面，抗干扰能力需要加强等，但它已具备P L C 的基本功能，是一个很好研究方向。参考文献【ll 鲍可进赵念强等C 8 0 5 l F 单片机原理与应用【M 1 北京：中国电力出版社，2 0 0 5，9：1 2 5 2 5 3【2I 田泽嵌入式系统开发与应用试验教程【MI 北京：北京航空航天大学出版社。2 0 0 5 4【3l 吴孜越，刘陆群，吕战争基于C N C 系统的嵌入式P L C 组件的设计与实现【J I 河南科技大学学报(自然科学版)，2 0 0 5 2 6(3)：1 8 2 l【4 l 周峰王新华李剑峰等软P L C 编辑系统的设计与实现【J 1 计算机工程与应用，2 0 0 5(7)：1 1 1 一1 1 3【作者简介I 高春侠(1 9 7 7 一)，女，山东省鱼台县人，讲师项士研究生从事电气工程及其自动化教学与科研工作；张磊(1 9 7 7 一)，男河北省任丘市人讲师项士研究生，从事电力电子及电气传动方向的教学与科研工作。万方数据基于C8051F单片机的嵌入式PLC系统的研究基于C8051F单片机的嵌入式PLC系统的研究作者：高春侠，张磊，Gao Chunxia，Zhang Lei作者单位：中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东东营,257061刊名：电气自动化英文刊名：ELECTRICAL AUTOMATION年，卷(期)：2009，31(3)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.鲍可进.赵念强 C8051F单片机原理与应用 20052.田泽 嵌入式系统开发与应用试验教程 20053.吴孜越.刘陆群.吕战争 基于CNC系统的嵌入式PLC组件的设计与实现期刊论文-河南科技大学学报（自然科学版）2005(03)4.周峰.王新华.李剑峰 软PLC编辑系统的设计与实现期刊论文-计算机工程与应用 2005(07)相似文献(2条)相似文献(2条)1.学位论文 赵多元 药囊在线称重及分拣系统的嵌入式远程监控 2008 随着电子技术的高速发展，嵌入式系统已经成为热点。嵌入式系统大量应用在自动控制、工业设备和家用电器中。当前电子产品常以嵌入式计算机的形式出现，例如PDA、交换机、路由器等。本系统结合SMS技术，将嵌入式系统运用到了制药装备，实现了对药囊在线称重及分拣系统的远程监控。该系统以PLC、单片机为核心完成了药囊在线称重及分拣系统的基本功能，以ARM为核心完成了远程监控的功能，运用VB和SQL Server编程技术实现了控制中心的功能。整个系统主要包括PLC及其电气控制部分、单片机模块、ARM模块、远程监控终端(用户手机或PC控制中心)、检测和控制模块、PC机接口和显示模块等。一般情况下单片机自动地完成重量数据的采集并且传送给控制主机PLC，由PLC控制整个设备的运行；ARM完成对设备状态和药囊相关数据的检测，通过GSM模块或手机定期地向用户或是控制中心发送设备状态和药囊相关数据；控制中心由VB和SQL Server完成，主要实现了收发短消息和数据管理的功能；用户或控制中心可以通过手机或其他不同的短信实体发出相应的控制指令，通过GSM网络传送给模块，最后由ARM接收解释用户指令，并把解释好的命令传送给上位机PLC，由PLC控制设备完成启动、停止等功能，从而实现整个系统的远程监控功能。本文在完成药囊在线称重及分拣系统基本功能的基础上展开。在uClinux的开发环境下通过ARM发送AT命令来控制GSM模块或手机完成短信收发功能。本文首先分析了称重传感器技术、远程监控技术、微处理器ARM和嵌入式操作系统的特点、优势和目前国内外的研究情况；而后介绍了系统功能、系统的硬件框架；接着在ARM最小系统的硬件平台下，运用内核裁剪技术，从Bootloador，驱动程序和应用程序开发等方面详细介绍了嵌入式Linux的实现过程；同时还介绍了灰色系统在数据采集处理系统中的应用和短消息业务的相关知识。本系统在嵌入式Linux操作系统中实现了串口发送短消息和编写VB程序完成控制中心短消息的收发，最终实现了对药囊在线称重及分拣系统的远程监控。2.学位论文 张声勇 嵌入式人机界面的研发 2007 随着软硬件技术的发展，基于嵌入式技术的工业人机界面是人机交互系统中迅速发展的领域。高可靠、长寿命、体积小、高性能、多线程、多任务、强实时等特点使嵌入式工业人机界面越来越受到自动化系统集成商和设备制造商的青睐。它能够理想，生动地显示PLC、单片机等工业设备上的实时数据信息，功能强大，使用方便。本文研究了嵌入式系统的软硬件发展状况，嵌入式Linux操作系统以及在操作系统上应用程序开发技术。本文详细介绍了嵌入式人机界面的软件结构和功能模块的划分，在此基础上对嵌入式Web服务器的结构和功能进行了分析，扩展了新功能；分析了嵌入式数据库的特点；介绍了SQlite的结构、技术特点和开发技术；设计了数据接口的结构；介绍了嵌入式浏览器(Konqueror/embedded)的结构、移植以及汉化。具体实现了嵌入式人机界面功能，验证了嵌入式人机界面设计的合理性和开发的可行性。本文的最后总结了完成的工作，以及日后需要改进和完善的地方。本文链接：http:/