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摘要：可编程逻辑控制器（PLC），是一种为工业控制特别设计的专用计算机。因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用于工业控制。作为一个嵌入式系统，其设计和开发过程分硬件和软件两部分进行。但硬件和软件的开发又是相互联系、密不可分的。在分析PLC的主要体系结构和工作原理的基础上，提出基于单片机的通用控制器的设计需求和方案，使其能在硬件和软件上都能模拟PLC工作方式。
关键词： ADuC841；单片机；嵌入式系统；硬件设计；软件设计
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310115－01
1 硬件总体设计
本章通过对针对PLC的体系结构分析系统的硬件需求，结合单片机控制系统的特点，制定基于单片机的通用控制器的硬件总体设计。
1.1 硬件需求分析
PLC的基本结构主要包括以下几个部分：CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置。另外，特定的PLC往往还具有某些特殊功能模块用来完成特殊的任务。由于本设计的目的是实现一个小型PLC的精简的控制功能，主要是逻辑控制功能及与上位机进行通讯的功能，故在硬件上应具有以下几个必要的模块：
1）微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。
包含CPU及其存储器。存储器包括存放操作系统、驱动程序和应用程序的预编程只读存储器ROM，以及存放用户编写的程序和工作数据的随机访问存储器RAM。PLC制造商提供多种型号的保持性存储器，使得断电后仍可保存用户程序和数据，因此只要通电PLC就可继续执行用户程序。
MCU的运行速度要尽可能快，同时要具有很高的可靠性。MCU内部最好集成了其它本系统需要的模块，这样可提高系统的可靠性，并大大简化硬件设计。另外MCU还必须具有在系统编程（In-System Programming, ISP）功能，以便下载用户程序。
2）开关量输入、输出模块。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。在保证系统稳定性的前提下可以设计尽可能多的I/O接口，以连接和控制更多的外部设备，控制能力更加强大。
3）存储器。
包括存放操作系统、驱动程序和应用程序的预编程只读存储器ROM，以及存放用户编写的程序和工作数据的随机访问存储器RAM。存储器的容量要尽可能大，以便容纳功能更强大的操作系统、驱动程序和更大型的用户程序。
4）复位电路。
包括上电复位、按键复位和看门狗复位，以便在死机或紧急情况下将系统重启，保证系统正常工作。
5）串口通讯模块。
方便控制器与PC通信，实现数据交换和用户程序的下载。
6）模数转换（A/D）、数模转换（D/A）模块。
用于模拟量的输入输出控制。工业控制中某些输入量（例如温度、压力等）是模拟量，某些机构（例如电动调节阀和变频器等）要求系统输出模拟量信号进行控制，而微控制器只能处理数字信号。A/D模块将模拟输入转换成数字量，供CPU处理，D/A模块将控制器中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。A/D转换器和D/A转换器的分辨率以12位为宜（低于12位则精度不够理想，高于12位则价格较高），转换时间要尽可能快。
1.2 硬件设计方案
ADuC841芯片内部已经集成了ROM、RAM、ISP、A/D和D/A等模块，简化了电路设计。但是芯片内部RAM容量有限，故增加了外部RAM，即DS1556芯片，最高可存储128K的数据。
一般的单片机系统采用16位地址寻址，最多只能寻址64K地址范围。本设计中为了充分利用外部的128K数据RAM和其它功能模块，采用24位地址寻址，由P2口分时输出高8位地址和页地址，最多可寻址16M地址空间。
ADuC841片内还集成了通用串行接口UART，方便了串口通信模块的实现：本设计采用5V单电源供电的通信收发器LMS202，实现单片机的TTL电平与PC机的RS-232标准电平之间的转换。
为增加I/O端口数目，采用两片82C55A芯片，扩展出24路数字量输入和24路数字量输出。加上ADuC841内部集成的8个通道12位A/D模块和两个通道的12位D/A模块，如此丰富的内部资源和外围接口足以取代一般小型PLC的功能。
2 软件总体设计
本系统的软件包括两大部分：上位机软件和下位机软件。上位机软件即PLC编程软件，用于在PC上创建、编辑和编译PLC用户程序，并将其发送至下位机。下位机软件是指固化在控制器内部的软件，包括操作系统和驱动程序、PLC指令解释模块等等，主要完成系统的初始化、PLC指令的分析和解释执行、与上位机通讯等功能。
为了使设计的控制器能执行上位机创建的PLC程序，必须对PLC指令进行处理，转化为单片机能执行的代码，即PLC指令的解释。为了实现这个功能，需要上位机和下位机分工协作，简单来说可以概括为：将所有PLC指令按一定的规则进行编码，上位机软件编辑好PLC程序后，对程序进行扫描，将指令逐条转化成对应的编码，并按一定的协议发送给下位机。下位机接收程序编码并将其存储在用户程序存储区内。下位机的系统程序中对每条PLC指令都有一个相对应的函数，该函数实现和对应PLC指令一样的功能。系统进入运行状态后，下位机逐条扫描用户程序存储区内的编码，并调用相应的函数，执行该PLC指令要完成的任务。这样，就可以完全地模拟PLC系统的运行过程，得到的结果也和真正的PLC无异。
参考文献：
[1]黄清波，基于AT91M40800的嵌入式工业控制器的设计[D].杭州：浙江大学，2003.
[2]嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集，2001.
[3]王田苗，嵌入式系统设计与实例开发，北京：清华大学出版社，2002.
[4]韦奕，小型嵌入式逻辑控制系统研究[D].上海：同济大学，2004.
[5]徐东，多功能工业控制器的研制[D].南京：南京航空航天大学，2005.
作者简介：
冯辉（1987-），男，辽宁锦州人，天津工业大学自动化学院。
关键词： ADuC841；单片机；嵌入式系统；硬件设计；软件设计
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310115－01
1 硬件总体设计
本章通过对针对PLC的体系结构分析系统的硬件需求，结合单片机控制系统的特点，制定基于单片机的通用控制器的硬件总体设计。
1.1 硬件需求分析
PLC的基本结构主要包括以下几个部分：CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置。另外，特定的PLC往往还具有某些特殊功能模块用来完成特殊的任务。由于本设计的目的是实现一个小型PLC的精简的控制功能，主要是逻辑控制功能及与上位机进行通讯的功能，故在硬件上应具有以下几个必要的模块：
1）微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。
包含CPU及其存储器。存储器包括存放操作系统、驱动程序和应用程序的预编程只读存储器ROM，以及存放用户编写的程序和工作数据的随机访问存储器RAM。PLC制造商提供多种型号的保持性存储器，使得断电后仍可保存用户程序和数据，因此只要通电PLC就可继续执行用户程序。
MCU的运行速度要尽可能快，同时要具有很高的可靠性。MCU内部最好集成了其它本系统需要的模块，这样可提高系统的可靠性，并大大简化硬件设计。另外MCU还必须具有在系统编程（In-System Programming, ISP）功能，以便下载用户程序。
2）开关量输入、输出模块。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。在保证系统稳定性的前提下可以设计尽可能多的I/O接口，以连接和控制更多的外部设备，控制能力更加强大。
3）存储器。
包括存放操作系统、驱动程序和应用程序的预编程只读存储器ROM，以及存放用户编写的程序和工作数据的随机访问存储器RAM。存储器的容量要尽可能大，以便容纳功能更强大的操作系统、驱动程序和更大型的用户程序。
4）复位电路。
包括上电复位、按键复位和看门狗复位，以便在死机或紧急情况下将系统重启，保证系统正常工作。
5）串口通讯模块。
方便控制器与PC通信，实现数据交换和用户程序的下载。
6）模数转换（A/D）、数模转换（D/A）模块。
用于模拟量的输入输出控制。工业控制中某些输入量（例如温度、压力等）是模拟量，某些机构（例如电动调节阀和变频器等）要求系统输出模拟量信号进行控制，而微控制器只能处理数字信号。A/D模块将模拟输入转换成数字量，供CPU处理，D/A模块将控制器中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。A/D转换器和D/A转换器的分辨率以12位为宜（低于12位则精度不够理想，高于12位则价格较高），转换时间要尽可能快。
1.2 硬件设计方案
ADuC841芯片内部已经集成了ROM、RAM、ISP、A/D和D/A等模块，简化了电路设计。但是芯片内部RAM容量有限，故增加了外部RAM，即DS1556芯片，最高可存储128K的数据。
一般的单片机系统采用16位地址寻址，最多只能寻址64K地址范围。本设计中为了充分利用外部的128K数据RAM和其它功能模块，采用24位地址寻址，由P2口分时输出高8位地址和页地址，最多可寻址16M地址空间。
ADuC841片内还集成了通用串行接口UART，方便了串口通信模块的实现：本设计采用5V单电源供电的通信收发器LMS202，实现单片机的TTL电平与PC机的RS-232标准电平之间的转换。
为增加I/O端口数目，采用两片82C55A芯片，扩展出24路数字量输入和24路数字量输出。加上ADuC841内部集成的8个通道12位A/D模块和两个通道的12位D/A模块，如此丰富的内部资源和外围接口足以取代一般小型PLC的功能。
2 软件总体设计
本系统的软件包括两大部分：上位机软件和下位机软件。上位机软件即PLC编程软件，用于在PC上创建、编辑和编译PLC用户程序，并将其发送至下位机。下位机软件是指固化在控制器内部的软件，包括操作系统和驱动程序、PLC指令解释模块等等，主要完成系统的初始化、PLC指令的分析和解释执行、与上位机通讯等功能。
为了使设计的控制器能执行上位机创建的PLC程序，必须对PLC指令进行处理，转化为单片机能执行的代码，即PLC指令的解释。为了实现这个功能，需要上位机和下位机分工协作，简单来说可以概括为：将所有PLC指令按一定的规则进行编码，上位机软件编辑好PLC程序后，对程序进行扫描，将指令逐条转化成对应的编码，并按一定的协议发送给下位机。下位机接收程序编码并将其存储在用户程序存储区内。下位机的系统程序中对每条PLC指令都有一个相对应的函数，该函数实现和对应PLC指令一样的功能。系统进入运行状态后，下位机逐条扫描用户程序存储区内的编码，并调用相应的函数，执行该PLC指令要完成的任务。这样，就可以完全地模拟PLC系统的运行过程，得到的结果也和真正的PLC无异。
参考文献：
[1]黄清波，基于AT91M40800的嵌入式工业控制器的设计[D].杭州：浙江大学，2003.
[2]嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集，2001.
[3]王田苗，嵌入式系统设计与实例开发，北京：清华大学出版社，2002.
[4]韦奕，小型嵌入式逻辑控制系统研究[D].上海：同济大学，2004.
[5]徐东，多功能工业控制器的研制[D].南京：南京航空航天大学，2005.
作者简介：
冯辉（1987-），男，辽宁锦州人，天津工业大学自动化学院。