0 引言

    傳統(tǒng)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)從提出至今已經(jīng)發(fā)展四十多年，形成了全世界每年300億美元以上的巨大市場(chǎng)，涉及自動(dòng)控制、機(jī)械、裝備、醫(yī)療電子等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，為一線基層技術(shù)人員利用嵌入式計(jì)算機(jī)生產(chǎn)實(shí)踐提供了基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)。但也存在CPU選擇受限、硬件耦合性差、變量設(shè)置簡(jiǎn)單、梯形圖編程功能深度不夠、二次編程困難、構(gòu)件組合靈活性差、開(kāi)發(fā)環(huán)境受限、新構(gòu)件融入難度大等問(wèn)題。雖然經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)與發(fā)展，從不同角度改進(jìn)了技術(shù)，但由于技術(shù)架構(gòu)未變，本質(zhì)問(wèn)題無(wú)法根本解決。

    本文基于多任務(wù)操作系統(tǒng)MQX、嵌入式ARM處理器、CAN總線等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套包含圖形構(gòu)件化編程軟件及基于恩智浦K60微處理器的圖形構(gòu)件化可編程邏輯控制器(Graphic Component Programmable Logic Controller，GCPLC)硬件的完整系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)闡述了圖形構(gòu)件化的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

1 GCPLC的體系總體設(shè)計(jì)與工作原理

    GCPLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1中的上半部分是GCPLC的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境部分，主要完成圖形化編程、C語(yǔ)言文件的生成、程序編譯等功能，并且負(fù)責(zé)向硬件部分燒寫(xiě)程序以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。下半部分的GCPLC硬件部分為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序。硬件部分帶有多路普通/高速的GPIO接口、高速PWM以及差分輸入輸出接口、CAN總線接口、485信號(hào)接口和232接口，可以實(shí)現(xiàn)普通PLC具備的功能。

    GCPLC系統(tǒng)將開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)和運(yùn)行環(huán)節(jié)分開(kāi)操作。在開(kāi)發(fā)階段，使用圖形構(gòu)件化編程軟件編寫(xiě)程序，并同時(shí)將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX融入其中；在執(zhí)行階段，硬件部分執(zhí)行程序，有序?qū)Ω鱾€(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并且通過(guò)串口與PC通信，從而將硬件部分的信息傳遞給軟件部分，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 GCPLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    GCPLC硬件的主要應(yīng)用目標(biāo)是工業(yè)控制，而可靠性和抗干擾能力是衡量工業(yè)控制中電氣設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此在設(shè)計(jì)內(nèi)部電路時(shí)，采用了抗干擾技術(shù)，其中包括光耦隔離電路、場(chǎng)效應(yīng)管隔離電路等。選用的硬件是具有極高隔離性能的元件，其中包括高速光耦6N137、場(chǎng)效應(yīng)管LR120N等。下面著重介紹高速GPIO輸入電路和高速PWM差分輸出電路。

2.1 高速GPIO輸入電路

    為了能夠滿足工業(yè)控制中對(duì)GPIO輸入的實(shí)時(shí)性和高效率需求，為GPPLC硬件設(shè)計(jì)了帶有電氣隔離特性的高速GPIO輸入電路，如圖2所示。

    該電路使用6N137單通道高速光耦合器進(jìn)行輸入輸出，并在輸出端對(duì)輸出進(jìn)行濾波后輸出給K60核心板。該電路具有溫度、電流和電壓的補(bǔ)償功能，具有高輸入輸出隔離及抗干擾能力強(qiáng)的特性，電路典型的輸入速率為10 MB/s。

2.2 高速PWM差分輸出電路

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種很常見(jiàn)的工業(yè)控制方式，機(jī)械臂的運(yùn)作、機(jī)器人的行走都離不開(kāi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了提高PWM的輸出效率，設(shè)計(jì)了具有差分能力的高速PWM電路，如圖3所示。

    圖3是PWM的輸出部分，在其他部分利用SGM4717雙擲模擬開(kāi)關(guān)芯片，切換PWM的差分和普通輸出模式。在正常情況下，該P(yáng)WM的輸出速率可達(dá)到100 KB/s以上，可以在工業(yè)控制中對(duì)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)和控制。

3 GCPLC圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)

    在GCPLC系統(tǒng)中，PC可以為用戶提供一個(gè)良好的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因此運(yùn)行在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境需要重點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。GCPLC軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是為了給GCPLC系統(tǒng)提供一個(gè)直觀、方便、可拖動(dòng)、高效的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)主要支持圖形化的拖動(dòng)、C語(yǔ)言的生成、程序編譯、程序?qū)懭搿?shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

    該平臺(tái)采用PC作為基本編程工具，應(yīng)用Visual Studio 2012作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，編程語(yǔ)言舍棄了傳統(tǒng)PLC采用的梯形圖編程方式，選用了全新的圖標(biāo)拖動(dòng)及連接的編程語(yǔ)言，使得程序的二次開(kāi)發(fā)變得更加容易，程序結(jié)構(gòu)也變得更加清晰，并且添加了復(fù)制、剪切、刪除、粘貼、右鍵菜單等人性化的快捷操作。在燒寫(xiě)程序之前，需要對(duì)程序進(jìn)行編譯，由編譯器負(fù)責(zé)檢查用戶編寫(xiě)的程序，并且將錯(cuò)誤反饋給用戶。若編譯程序無(wú)誤，則可以將用戶程序?qū)懭隚CPLC硬件板。該開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要由以下模塊組成：

    (1)圖標(biāo)控件模塊。包含了編寫(xiě)程序需要的所有控件，控件分為執(zhí)行控件、傳感器控件、通信控件、流程控件、任務(wù)控件5個(gè)大類。每個(gè)大類下又包含了若干個(gè)具體的子控件。

    (2)控件連接及屬性設(shè)置模塊。該模塊是進(jìn)行控件拖拉和連線的模塊，也是整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵。在編寫(xiě)程序時(shí)可以從上述的圖標(biāo)控件模塊中選擇自己需要的控件，選出控件后可以放置在此模塊上。每個(gè)控件的頂部和底部都有一塊三角形區(qū)域，當(dāng)選定了若干個(gè)控件后，將這些控件的三角形區(qū)域連線，則可以組成一段程序。

    (3)代碼更新顯示模塊。當(dāng)連接好控件連接模塊中的控件后，該模塊便會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的代碼。使用者只需要簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言基礎(chǔ)，便可以更好地理解這整段程序?qū)崿F(xiàn)的功能。

3.1 圖標(biāo)控件模塊

    為了方便二次開(kāi)發(fā)，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)決定放棄傳統(tǒng)PLC的使用的梯形圖編程方法，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了開(kāi)發(fā)者門(mén)檻更低、更加容易理解的圖標(biāo)形式的控件，一段完整的程序要能夠穩(wěn)定、成功地運(yùn)行，則需要C語(yǔ)言執(zhí)行所需要的基本流程，基于程序執(zhí)行的基本流程，將圖標(biāo)控件模塊劃分為之前所闡述的5個(gè)大類。

    執(zhí)行控件主要包括一些需要執(zhí)行的操作，例如開(kāi)關(guān)中斷、設(shè)置延時(shí)、設(shè)置IO輸入/輸出等；傳感器控件包含GCPLC需要的傳感器，例如超聲波傳感器、AD傳感器等；通信控件包含與硬件核心板通信相關(guān)的控件，例如I2C、SPI、UART等；流程控件則是與程序執(zhí)行相關(guān)，所以包含IF判斷、條件循環(huán)、計(jì)數(shù)循環(huán)之類的控件；任務(wù)控件則是為了程序的多任務(wù)協(xié)調(diào)執(zhí)行而設(shè)置的，所以每當(dāng)用戶添加一個(gè)任務(wù)，任務(wù)控件中也會(huì)生成相應(yīng)的控件。

    為了使開(kāi)發(fā)平臺(tái)自身更具有拓展性，設(shè)計(jì)了一套從Access數(shù)據(jù)庫(kù)讀取控件名稱和控件圖片等相關(guān)屬性的算法，當(dāng)需要增加某種控件時(shí)，只需要設(shè)置好該控件的相應(yīng)屬性，存入數(shù)據(jù)庫(kù)即可。而對(duì)于每一個(gè)用戶程序，其中的任務(wù)控件也是各有不同的，因此實(shí)現(xiàn)任務(wù)控件的動(dòng)態(tài)存取也十分重要。而在設(shè)計(jì)控件時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)程序的通用性，設(shè)計(jì)了圖標(biāo)控件Icon類，其關(guān)鍵代碼如下：

    public LinkIconType IconType;//控件的類型

    public string ModuleName;//控件名字

    public int IconArrNum;//控件在控件數(shù)組中的下標(biāo)

    public int IconDbNum;//控件在數(shù)據(jù)庫(kù)中的序號(hào)

    public PictureBox IconPicBox;//控件的圖片

    public PictureBox MoveToIconPicBox;//鼠標(biāo)移動(dòng)到控件上時(shí)顯示的圖片

    public int IconLeftDotNum; //控件圖標(biāo)的左側(cè)的Dotsize個(gè)數(shù)

    public int IconTopDotNum; //控件圖標(biāo)的上側(cè)的Dotsize個(gè)數(shù)

3.2 控件連接及屬性設(shè)置模塊

    控件連接及屬性設(shè)置模塊是進(jìn)行控件拖拉、連線、程序順序設(shè)計(jì)的模塊，也是整個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的核心所在，若干個(gè)控件通過(guò)不同的順序連接，將會(huì)生成截然不同的程序。

    在這個(gè)界面中，可以通過(guò)雙擊每個(gè)控件以編輯該控件的屬性。例如，當(dāng)點(diǎn)擊PWM初始化控件時(shí)，便會(huì)跳出“PWM初始化”屬性窗口，如圖4所示。

    該窗口用于設(shè)置GCPLC硬件上的PWM波的輸出頻率，只需要在文本框中輸入想要的頻率，點(diǎn)擊確定后就可以成功配置PWM的輸出頻率。使用者在編程時(shí)可以很容易掌握。其他的控件也具各自的屬性窗口。

    當(dāng)從圖標(biāo)控件模塊拖出控件時(shí)，每個(gè)控件之間都是各自獨(dú)立的，即使設(shè)置好控件的屬性，這些控件仍然不具備實(shí)際功能，只有通過(guò)每個(gè)控件頂部和底部的三角形區(qū)域?qū)⑿枰目丶B接起來(lái)時(shí)，這些控件才會(huì)真正起作用，在開(kāi)發(fā)環(huán)境中新建一個(gè)項(xiàng)目文件后會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)Main圖標(biāo)控件，這個(gè)控件是不可編輯的，表示為每個(gè)程序的開(kāi)始。

    為了能適應(yīng)程序較小或者較大的情況，設(shè)計(jì)了可縮放的編程界面，當(dāng)需要編寫(xiě)程序量較大的程序時(shí)，可以縮小界面以便于查看完整的程序結(jié)構(gòu)。另外，開(kāi)發(fā)環(huán)境吸取了PLC編程中梯形圖多行編寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多行顯示的程序結(jié)構(gòu)。同時(shí)，當(dāng)控件圖標(biāo)過(guò)多超過(guò)當(dāng)前顯示頁(yè)面時(shí)，設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)刷新的算法，提升了軟件執(zhí)行效率。

    當(dāng)GCPLC系統(tǒng)需要執(zhí)行多任務(wù)程序時(shí)，為了使得各個(gè)任務(wù)之間的劃分更加清晰，為主任務(wù)程序和每個(gè)子任務(wù)都開(kāi)辟了單獨(dú)的窗口，用戶每添加一個(gè)任務(wù)，都會(huì)在主任務(wù)窗體中生成一個(gè)子任務(wù)控件圖標(biāo)，雙擊任務(wù)控件圖標(biāo)后可以編輯相應(yīng)的任務(wù)屬性，如任務(wù)名稱、任務(wù)棧大小、任務(wù)優(yōu)先級(jí)等。

3.3 代碼更新顯示模塊

    在控件連接及屬性設(shè)置模塊將各個(gè)圖標(biāo)按照自己預(yù)想的順序連線完成后，如果沒(méi)有任何可以參照修改的功能，很有可能使得最后燒寫(xiě)的程序無(wú)法正常運(yùn)行，而且僅僅是圖標(biāo)連接也會(huì)使得開(kāi)發(fā)者感覺(jué)很疑惑。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了代碼顯示區(qū)域。該區(qū)域顯示的代碼與控件連接模塊的連線方式是一一對(duì)應(yīng)的，如圖5所示。

4 GCPLC整體運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

    在本次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)GCPLC系統(tǒng)進(jìn)行了一次整體上電自檢實(shí)驗(yàn)測(cè)試。首先在GCPLC軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)好上電自檢的程序，這個(gè)上電自檢程序?qū)⒋蜷_(kāi)GCPLC硬件系統(tǒng)中的所有GPIO、PWM、差分輸入/輸出、CAN總線、485、232和數(shù)碼管功能，并且將模塊初始化信息通過(guò)串口反饋出來(lái)。上電后的串口反饋信息如圖6所示。

5 結(jié)論

    GCPLC系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)、軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)融合在一起，形成一個(gè)開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的PLC具有更高的靈活性和可擴(kuò)展性，從而使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不再受傳統(tǒng)PLC硬件的限制，提高了可靠性和可操作性。本系統(tǒng)具有良好的通信能力，能夠完成比較復(fù)雜的多任務(wù)控制功能，可以滿足和實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開(kāi)放性和柔性的要求，為工業(yè)自動(dòng)化向更高層次的集成提供了可靠的計(jì)數(shù)保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)奎.嵌入式PLC編程軟件開(kāi)發(fā)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25(10)：67-68，70.

[2] 張嵩，術(shù)守喜，丁廣乾.基于ARM的嵌入式PLC的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2008(3)：9-10，23.

[3] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用(第4版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4] TROELSEN A.C#與.NET 4高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5] 王宜懷.嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)踐：ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 吳玉香，周東霞，林錦赟.嵌入式軟PLC系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2009(10).

[7] 謝春杰.嵌入式軟PLC的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[8] 郭建勛.嵌入式軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[9] PRATUMSUWAN P，PONGAEN W.An embedded PLC development for teaching in mechatronics education[J].Industrial Electronics & Applications，IEEE，2011(6)：1477-1481.

[10] 艾春麗，劉榮鵬，張鳳登.基于軟PLC的多任務(wù)并行控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(12)：272-274.

作者信息:

司蕭俊，王宜懷，白  聰

（蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215000）