基於C8051F040單片機的PLC輸入輸出介面設計

    以C8051F040單片機為核心的PLC硬體電路設計，包括掉電保護的外部RAM、硬體看門狗和對外部擴展的介面電路。本文提出了以C8051F040單片機為核心，充分利用其豐富的片上資源，擴展系統的輸入輸出功能，以此來設計小型PLC輸入輸出介面硬體電路。
    C8051F040是Cygnal公司推出的C8051F系列之一，與傳統的80C51相比有重要技術發展：廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，提高了指令的運行速度；I/O埠配置靈活，內部輸入/輸出電路單元可通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的埠；完善的時鐘系統，片內設置有一個可編程的時鐘振蕩器，可提供2、4、8、16 MHz時鐘的編程設定；基於JTAG(JointTest Action Group)介面的在系統調試；多源複位；低功耗模式。C8051F040系列單片機具有標準8051的埠(P0，P1，P2，P3)，在F040/2中有4個額外的8位I/O口(P4，P5，P6，P7)，因此總共有64個多功能的I/O埠。I/O埠的工作情況與標準8051相似，並作了一些改進。每個埠I/O引腳都可以被設置為漏極開路方式或推挽方式。

1 C8051F040晶元組在PLC內核電路設計中的原理和功能
1.1 基於C8051F040晶元的PLC內部電路採用四層印製板設計，主要由CPU、外部RAM看門狗以及供掉電保護的電池組成。CPU選用高性能的C8051F040。外部RAM 選用低保持功耗的128K 的SRAM:
STC62WV1024。看門狗選用MAX809RD，在電源電壓低於2.7 V時向SRAM發出鎖存信號，禁止寫操作。電池選用CR系列扣式鋰錳電池(3 V):CR1230，電池容量為50 mAh。基於C8051F040晶元的PLC內部電路設計框圖如圖1。
 
圖1 PLC內部電路設計框圖

1.2 該系統各管腳的基本功能如下：
電源供電：+5 V，200 mA，RAM掉電保護5年。
CPU：C8051F040。
I/O：分別為P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，P4.0～4.3的I/O為8個，可復用成SPI、I2C介面及外中斷、外計數、AD等。
4個AD：12位精度，100 kPS。2個DA：12位精度，100 kPS。
CANBUS：軟體內核管理，使用工具軟體CANSet構建CANBUS匯流排網路。
UART0：軟體內核管理，用於梯形圖編程、監控，支持人機界面及用戶驅動程序下載。
UART1：軟體內核管理，用於下載CANBUS網路參數、構建RS485網路及支持第三方設備互連表。

1.3 C8051F040晶元組外部引腳定義
    嵌入式PLC晶元組由兩排查針組成，是跟外圍電路的介面。引腳定義如表1和表2所示。

2 輸入輸出口的設計
    PLC的輸入輸出系統是過程狀態與參數輸入到PLC以及PLC實現控制時控制信號輸出的通道。它提供了各種操作電平和驅動的輸入輸出介面模板，以實現被控過程與PLC I/O介面之間的電平轉換、電氣隔離、串/並轉換、A/D與D/A轉換等功能。根據他們所實現的功能不同，可將I/O通道分為以下幾種：模擬量輸入通道(AI)、模擬量輸出通道(AO)、開關量輸入通道(DI)、開關量輸出通道(DO)、脈衝量輸入通道(PI)。
    14點PLC具有8路開關量輸入，6路繼電器輸出。
2.1 輸入口設計
    開關量輸入通道用來輸入各種限位開關、繼電器或電磁閥門的起閉狀態、各種開關及手動操作按鈕的開關狀態等。輸入信號一般為0～24 V或0～12 V直流電壓信號，但是有時也可輸入交流電壓信號或觸點。現場的離散信息通過該輸入模塊送給CPU處理。數字量輸入的最主要問題是隔離問題。尤其是一些開關量輸入信號，如隔離不好，較強的電磁干擾就會引入到系統中，影響系統的正常工作。因此在PLC中，數字量的輸入都採用光隔離器件，將現場與PLC實現電氣上隔離，從而保持系統工作的可靠性。
    現場輸入的數字量大多是開關量。開關量一般是直流信號，個別情況下也有交流信號，我們採用的是直流開關量，圖2所示為開關量輸入模塊圖。採用內部12 V直流電源，I/O是輸入端子，P3.6為CPU埠。圖中只畫出對應於一個輸入點的輸入電路，各個輸入點所對應的輸入電路均相同。圖中U10是光耦合器TLP180，發光二極體與光敏二極體封裝在一個管殼中。當二極體中有電流時發光，此時光敏晶體管才導通。R1為限流電阻，C1為濾波電容，可濾除輸入信號中的高頻干擾，R2 和R3為分壓電阻，因為CPU採用3.3 V供電。
 
圖2 開關量輸入模塊圖
    當I/O和公共端12 V的地短接時，光耦合器導通，表示輸入開關處於接通狀態。P3.6為高電平，該電平經濾波器送到內部電路中。當CPU訪問該路信號時，將該輸入點對應的輸入映像寄存器狀態置1；當I/O斷開時光耦合器不導通，LED不亮，表示輸入開關s處於斷開狀態。此時P3.6為低電平，該電平經濾波器送到內部電路中。當CPU訪問該路信號時，將該輸入點對應的輸入映像寄存器狀態置0。

2.2 輸出口設計
    開關量輸出通道用於控制電磁閥門、繼電器、指示燈、聲光報警器等，一般只具有開、關兩種狀態的設備。根據所用器件的不同，一般有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等多種形式，一般輸出0～24 V或0～5 V直流電壓信號，有時根據需要也可輸出交流電壓信號。工業現場很多設備的起停以及生產過程中工作方式的轉換，均是由一個位置信號，或者說是“0”或“1”信號控制的。用PLC輸出這樣的信號時對現場設備進行控制是很容易實現的。為滿足現場的要求，PLC提供了多種輸出介面，可極大地滿足工業現場的各種要求。我們採用的是繼電器輸出方式，採用繼電器隔離。繼電器輸出模塊輸出實際上是將PLC內部不同的輸出信號轉換成輸出繼電器觸點的不同動作。觸點閉合對應內部輸出信號“1”；觸點打開對應內部輸出信號“0”。輸出繼電器既可以帶阻性負載，也可帶電感性負載。負載電壓可以是交流也可以是直流的，其電壓也有各種不同範圍的。負載電流可以從1 A到幾A。繼電器輸出模塊適用於驅動電磁線圈、各種閥門等，是一種用途廣泛的輸出模塊。
 
圖3 PLC輸出模塊圖
    PLC輸出模塊圖如圖3所示。圖中二極體和NPN型達林頓管是封裝在ULN2003裡面的，ULN2003提供了7路達林頓管，用於驅動大電流器件，如LED管、繼電器等，最大電流500 mA，最大集電極電壓為30 V。它輸入接受1TL電平，輸出為開漏輸出型，在基極還有2.7千歐的限流電阻，同時基極和發射極還有7.2千歐和3千歐的分壓電阻。ULN2003中的二極體在這裡起續流作用，當線圈由導通突然斷開時，給電感線圈續流，防止電壓突變。74HC04由3.3 V供電，起驅動ULN2003的作用。電阻R 和電容c 吸收外部的高頻尖峰，防止對內部電路產生干擾。COM是輸出公共端，OUT是輸出端。
    當內部映像輸出繼電器為1時，埠 P1.0輸出0，反向器74HC04輸出1，達林頓管導通，繼電器吸合，其常開觸點閉合，表示輸出點接通。反之當內部映像輸出繼電器為0時，輸出點斷開。

2.4 輸入輸出顯示設計
    輸入輸出指示燈由CPU判斷輸入輸出口的狀態后，直接輸出相應的狀態，經過74HCT244驅動LED發光二極體，LED需要4 mA就可以顯示，用74HCT244就可以滿足驅動要求。

3 結論
    通過應用C8051F040單片機來設計PLC的輸入輸出介面電路，能完整實現PLC介面的各項功能，實踐證明，其工作性能可靠、使用壽命較長，符合PLC的工作參數要求。