曾曉維 高紅亮 黎立 蔡琴

（1湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制科學(xué)學(xué)院, 武漢 435002； 2湖北師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，武漢435002）

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)中，信號質(zhì)量關(guān)系到設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，作為為工業(yè)上一種常用到的控制器PLC，同樣也面臨此問題。專用的信號處理器價(jià)格過高，若僅以單片機(jī)開發(fā)而構(gòu)成的系統(tǒng)在使用和安裝過程中不方便，并且不易于維護(hù)，因此，我們采用具有嵌入式操作系統(tǒng)的 PLC來開發(fā)信號處理功能。在信號檢測和抗干擾等很多實(shí)際應(yīng)用場合，通過對PLC輸入信號有效脈沖寬度設(shè)定，篩選有效信號，同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)中對輸入信號的高速計(jì)數(shù)部分，例如在機(jī)械位置測量、機(jī)械傳動(dòng)控制等方面，要用到高速脈沖計(jì)數(shù)，把兩者結(jié)合起來，使PLC功能增強(qiáng)。

2 嵌入式PLC的介紹

嵌入式 PLC是建立在微控制器硬件開發(fā)平臺和嵌入式操作系統(tǒng)[2]之上，通過開發(fā)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序，將驅(qū)動(dòng)程序添加到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核之中，形成嵌入式 PLC系統(tǒng)軟件的一部分。用戶輸入的PLC指令[3]（或梯形圖轉(zhuǎn)換而成的指令表）所對應(yīng)的PLC應(yīng)用程序，經(jīng)過系統(tǒng)編譯程序與內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的交互處理，實(shí)現(xiàn)對PLC指令表語言程序的解釋和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)PLC的控制功能。

作為可二次開發(fā)的嵌入式PLC，其硬件功能十分強(qiáng)大，包括為用戶提供豐富的擴(kuò)展接口，并擁有高可靠的數(shù)據(jù)保持性，以使開發(fā)人員能靈活的應(yīng)用于實(shí)際場合。本文所設(shè)計(jì)的嵌入式PLC是建立在EASY-V1.00[2]操作系統(tǒng)平臺之上的，用到的微處理芯片為新華龍公司的C8051F020，它的基本功能包括 CANBUS網(wǎng)絡(luò)通信、用戶應(yīng)用程序嵌入、梯形圖語言處理[6]。

嵌入式PLC系統(tǒng)原理圖如1所示，外部輸入的開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后連接到 FPGA的 I／O口，通過FPGA地址譯碼，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)地址總線與CPU相連。這樣CPU就可以通過數(shù)據(jù)地址總線獲得和設(shè)置輸入量的工作狀態(tài)。

圖1 嵌入式PLC硬件原理框圖

由本思想而寫成的代碼是嵌入到EASYCORE1.00內(nèi)核中，通過KELL軟件編譯而成的二進(jìn)制文件由 DownHex下載器下載到單片機(jī)中，梯形圖的編輯、調(diào)試與監(jiān)控由FXGP-WIN-C完成[6]。

3 輸入信號脈寬門檻設(shè)定的實(shí)現(xiàn)

3.1 輸入信號脈寬門檻設(shè)定分析

輸入信號進(jìn)行脈寬設(shè)定主要是為了對輸入信號進(jìn)行濾波。在工業(yè)場合，我們希望能夠捕獲有效信號的同時(shí)剔除干擾信號，從而提高系統(tǒng)的安全性。本文設(shè)計(jì)的脈寬設(shè)定可調(diào)，即有效信號的脈沖信號可由用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，滿足不同場合的應(yīng)用。

此嵌入式PLC共有八路輸入，系統(tǒng)通過門檻設(shè)定的值來確定定時(shí)器采樣信號的次數(shù)，如果在這期間采集的信號相同，則把對應(yīng)這一路的信號存儲到對應(yīng)輸入寄存器RAM_PX中。

3.2 輸入信號脈寬設(shè)定原理

首先用定時(shí)器對輸入脈沖進(jìn)行采樣，通過采樣電平保持的時(shí)間來確定輸入脈沖信號的寬度。最后通過單片機(jī)向 RAM_PX寫有效的電平，達(dá)到脈沖計(jì)數(shù)的要求。在程序設(shè)計(jì)中，設(shè)定定時(shí)器溢出時(shí)間為50 μs，那么對于1 ms的有效脈沖理論上要采集20次，當(dāng)采集20次的電平一樣，則認(rèn)為脈沖信號有效，輸入脈沖采樣示意圖如圖 2所示。

圖2 輸入脈沖采樣

我們對 T4設(shè)置為自動(dòng)重裝模式，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)對輸入信號進(jìn)行采樣，相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔稱為基準(zhǔn)時(shí)間，也即是定時(shí)的時(shí)間長度，為考慮程序有充足的執(zhí)行時(shí)間和便于計(jì)算，定位50 μs，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為2 MHz，則T4的定時(shí)初值為 65536-50/(1/2)=65436，換成十六進(jìn)制數(shù)為FF9CH,則 RCAP4L=9CH，RCAP4H=FFH?；鶞?zhǔn)時(shí)間設(shè)定后，采集二十次則為1 ms，因此，只要設(shè)定二十一次數(shù)據(jù)完全相同（共間隔二十個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，前后相比相同次數(shù)為十），D5080=20，則有效信號的門檻為1 ms，其他門檻的設(shè)定依此類推。

程序中，我們把本次采集到的數(shù)據(jù)與上次信號作比較，對于每一路信號，若不同，則相同次數(shù)CNT置零；若相同則CNT加一，直到滿二十次，就把得到相同的信號送給RAM_PX，同時(shí)相同次數(shù)CNT清零，為下次刷新RAM_PX作好準(zhǔn)備。八路數(shù)據(jù)比較完后，就把本次數(shù)據(jù)作上次數(shù)據(jù)，這樣就完成了一個(gè)周期刷新RAM_PX。

3.3 輸入有效信號的采集流程

信號流程如圖3所示。

3.4 主要代碼分析

嵌入式P L C是基于新華龍公司的C8051F020芯片開發(fā)的，我們選用51匯編語言編程。編譯器選擇KELL C51，由它生成需要的.HEX文件。

圖3 輸入有效信號采集

4 高速脈沖A、B相計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

4.1 計(jì)數(shù)原理

高速脈沖計(jì)數(shù)是利用中斷方式完成的，這里使用C8051F020芯片的PCA0中斷，根據(jù)外部信號的輸入方式，本高速脈沖計(jì)數(shù)有三種計(jì)數(shù)方式。單獨(dú)接A相脈沖，B相接高電平，此時(shí)AB邏輯信號01，為則為增計(jì)數(shù)；單獨(dú)接B相，A相接高電平，AB邏輯信號為10，則為減計(jì)數(shù)；若同時(shí)接A、B相，A超前B 0 ～90度時(shí)為增計(jì)數(shù)，A滯后B 0～90度時(shí)為減計(jì)數(shù)，A、B分別對應(yīng)于X0、X1輸入端口。計(jì)數(shù)值存放在D5085、D5086中，D5085為低十六位，D5086為高十六位。

我們把 PCA0設(shè)置成下降沿捕捉模式，把CEX0、CEX1分別配置到X0、X1端口，單相計(jì)數(shù)占用一個(gè)外輸入端口（X0或X1），而雙相計(jì)數(shù)占用兩個(gè)端口（X0和X1）。單相計(jì)數(shù)時(shí)，外部高速脈沖的下降沿觸發(fā)PCA0中斷，進(jìn)入中斷后立即讀取另一通道的電平信號，若AB信號為01，則向上計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值加一；若AB信號為10，則向下計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值減一。雙相計(jì)數(shù)時(shí)，首先要判斷相位的超前與滯后，這兩路信號的下降沿均能觸發(fā)PCA0中斷，但只要判斷AB相相位差形成的特定邏輯關(guān)系，就能判斷出A超前還是滯后于B。進(jìn)入中斷后，若AB邏輯關(guān)系為01，A超前B，向上計(jì)數(shù)加一；若AB邏輯關(guān)系為10，B超前A，向下計(jì)數(shù)減一，如圖4所示。

AB相計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

4.2 AB相脈沖高速計(jì)數(shù)主要代碼分析

設(shè)計(jì)這段程序首先需要先配置交叉開關(guān)，然后再對PCA0的各模塊進(jìn)行設(shè)置，最后在PCAO中斷中設(shè)計(jì)加、減計(jì)數(shù)。

在KELL C51中編譯嵌入程序，使用科威公司提供的專用下載工具 DownHex.exe把生成的16進(jìn)制文件通過串口URTA0下載到系統(tǒng)中，是的系統(tǒng)內(nèi)核可以調(diào)用它，從而完成了二次驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)[6]。

圖4 (b)A相滯后B相

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫，程序執(zhí)行效率高。經(jīng)過測試，通過設(shè)定脈沖寬度能夠起到很好的濾波效果，門檻的分辨率為200 μs，而高速相位差計(jì)數(shù)的誤差相隔±1個(gè)脈沖?；谇度胧絇LC的對輸入信號脈寬門檻限定和高速相位差計(jì)數(shù)在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用十分廣泛，可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)其他功能，不影響梯形圖語言功能和CANBUS互聯(lián)特性，事實(shí)上，只需要更多的關(guān)注硬件接口的可靠性及軟件的時(shí)效性，而將工藝交給梯形圖，有效地降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。

圖5 功能四實(shí)現(xiàn)流程圖

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