基于虚拟PLC的小功率负载驱动电路设计.pdf

务l 訇 似 基于虚拟P L C 的小功率负载驱动电路设计 Desi gn of l o w - po w er I oad dr i v e ci r cui t base d on vi r t uaI PLC 黄永飞，何汉武，胡兆勇，梁致祥 HUANG Yo n g f e i ，HE Ha n wu ，HU Zh a o ． y o n g ，L I ANG Zh i ． x i a n fl 广东工业大学 机电工程学院，广州 5 1 0 0 0 6 摘 要 针对虚拟P L C 控制小功率负载的问题，论文研究了虚拟P L C 与小功率负载间的通讯 ， 在此基础 上设计了一块驱动电路板 ， 为虚拟P L O 控制小功率负载提供接口。该电路板包括输入模块、主 芯片模块和输出模块三个模块。输入模块负责外部输入信号的采集 ；主芯片模块负责将输入 模块采集的信号传输到虚拟P L C，同时解析虚拟P L C 传来的信号准备输出；输出模块负责接收 并转化控制信号使之能够控 U g t, 部负载。最后，以四层电梯控制实验为案例 ，验证所设计电 路板能够驱动小功率负载。 关键词虚拟P L C ；小功率负载；驱动电路 ； 控制 中图分类号 T P 9 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 2 下 一 0 1 3 8 0 3 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 l ／ J ． is s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． o z 下 ． 3 9 0 引言 小功率负载一般 是指额定电压在2 2 0 V以下 ， 功率在4 5 0 W内的负载⋯。一般在P L C 实验室 中所 用到的外部负载都是小功率 负载。基于虚拟P L C的 小功率 负载 驱动 电路板为虚拟P L C提供输入输 出 端 口，使虚拟P L C能够驱动小功率负载，在P L C 教 学培训 中有比较重要的应用 。不仅可以脱离真实 P L C 节约成本，并且可以使P L C 程序编辑和调试同 时进行 ，大大提高学习效率 。在P C机基本普及的 情况下 ，为P L C技术推广提供 了一个新的思 。 目前，国内外也有不少关于基于虚拟P L C 的负 载驱动 电路研究。比如，张波进行了软P L C 技术在 海洋馆水环境控制中的应用的研究[ 4 】 ，王洪利等对 基于CAN总线和软P L C的船舶锅炉控制 系统 进行 了研究等 。论文是在本实验室基于V i s u a l C 开 发的面向三菱F XN系 1] P L C的虚拟P L C软件 的基 础上，设计一块驱动电路板，建立起虚拟P L C 平台 和小功率负载间的通信通道，从而达到驱动小功 率负载的 目标 。 1 设计总体框架 本文的主要内容就是设计一个基于虚拟P L C的 小功 率负载驱动 电路 ，根据 电路 图画P CB图最后 制作 出一块电路板，使虚拟P L C 借助电路板驱动控 制小功率负载。总体框架如图1 所示。 图1 设计 总体 框架 图 本文所设计电路板主要包括以下三个模块 1 输入模块 。其 为外部输入提供端 口，连接 外部输入设备并 接收控制信 号。本文所设计 电路 板共有8 个输入端 口 P X 0 0 0 - X0 0 7 。 2 主芯片模块。其是电路板 的核心，负责将 输入模块采集的控制信号传 回虚拟P L C。同时 ，也 负责对虚拟P L C传来的信号进行解析 ，并发送给输 出模块。实现双向数据传输 。 3 输 出模 块 。 其 为 虚 拟 P LC控 制 小 功 率 负 载 提 供 端 口 ，连 接 并 控 制 外 部 小 功 率 负 载 。本 文所设 计 电路板 共 有 1 6 4 - 输 出端 口 即 Y0 0 0 Y0 1 7 。 2 输入模块设计 输入模块相当于真实三菱P L C的x端 口，本文 设计的电路板中共有8 个输入xO 0 0 一 X0 0 7 ，用于采 集输入控制信号 。输入电路原理图如图2 所示 。 收稿日期2 0 1 3 - 0 9 - 2 8 基金项目国家自然科学基金项 目 5 1 2 7 5 0 9 4 ；省部产学研结合项 目 2 0 1 2 B 0 9 1 1 1 3 1 ；顺德区科技计划项 目 2 0 1 1 0 2 0 2 0 5 1 ；顺德区政府采购招标项 目 S D1 1 1 4 4 作者简介黄永飞 1 9 8 8一 ，男，硕士研究生，研究方向为虚拟P L C 仿真系统。 [ 1 3 8 1 第3 6 卷第2 期2 0 1 4 0 2 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI8 似 C 0 M XO 0 0 X 001 X 0 02 X0 03 X 00 4 X 0 05 X0 0 6 X O0 7 图2 输入电路原理图 当一个按键按下时 ，按键对应的P口引脚就会 直 接接地 ，即P口电平变为低 电平 ，主芯片根据P 口的电平判断 出哪个按键被按下 。每个按键对应 着虚拟P L C运行平 台中的一个输入触点Xn ，通过 按 键的按动可 以改变虚拟P L C运行平 台中触点Xn 的状态，从而改变P L C程序的执行逻辑 ，实现按键 输入信号传递给 虚拟P L C 程 序中对应的输入触 点 Xn。 3 主芯片模块设计 主芯片模块作 为电路板上 的核心元件 ，不仅 需要实现虚拟P L C与小功率负载之间的信号传输， 而且要求主芯片能够稳定运行 ，具 有较好 的实 时 性 和可扩展性 。根据 以上要求 ，本文选用型号为 S T C8 9 C 5 2 r c 的单片机作为 系统的主芯片 ，它在满 足 内存 、速度 、稳定性等要求 的同时 ，还有价格 便 宜等优点 。其具有4 0 个引脚，能够提供3 2 个I ／ O 口用于驱动外部对象，能够满足 电路版设计8 个输 入端 口和 1 6 个输出端 口的需要 。 P C机 与单 片机之 间的连接 主要 有RS - 2 3 2 、 RS 一 4 2 2 、RS - 4 8 5 和US B四种方 式 。分析 各种连 接方式 的优缺点 ，考虑到本 电路对数据传送实 时 性 、双 向性等方面 的要求 ，并且随着笔记本 的不 断升级有些 电脑 只保 留了US B接 口，最终本文选 用US B口作 为P C机 与 电路板 的连接 端 口。它提 供了一种单一的、易于操作的标准接 口，支持热 插拔和即插即用 ，且US B可 以直接为本文选用 的 S T C 8 9 C5 2 r c 供电，减少了额外的电路开销。 采用US B 连 接方式从P C机传回的US B 信号需 要转变为串 口通讯信号 ，同时还要经过调压 电路 转为标准的T T L电平才能与单片机进行通讯。本文 选择 在US B 数 据线和 电路板之 间连接一个US B转 串口数据转换接头 ，它的主要芯片是P L 2 3 0 3 h x ， 它能够 同时满足转 串口和调压两个要求 ，而且独 立于电路板 ，大大简化了电路设计的复杂性 。 选定好整个主 芯片模块硬件后 ，需要针对选 定硬件进行相关软件设计 。驱动 电路信号传输在 P C机中的虚拟P L C平台和单片机之 间完成，因此 软件设计也包括虚拟P L C 程序设计和单片机程序设 计两部分。虚拟P L C 程序设计主要负责Y口数据的 获取 ，串行通讯 的初 始化 ，串行数 据的发送与接 收。单 片机程序设计 主要包括 串行通 讯相关 寄存 器 的设置 ，串行 口工作模 式的选择设置 ，波特率 的选择设置 ，延时程 序设计 ，键盘 扫描程序设计 和 串行通讯数据 的处理设计 。同时考虑数据传输 大小 、速度和稳定性 等问题 ，在软件设计时尽量 优化数据，提高通讯性能。 整个主芯片模块的信号传递框图如图3 所示。 虚拟P L C I 控制数据的 } C o m m 件接口 l 接收 l J s B 数 据 线 1 I U S B 通讯协议 的 l T I R 去目 目 n 打包 l ， ～ 。 软 标准T T L 电平转为 U S B 接口电平 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一● 图3 信号传递框 图 4 输出模块设计 输出模块相当于真实P L C的Y端 口，本文搭建 的系统 中共有1 6 个输 出Y0 0 O ～ YO 1 7 ，用于 向外部 输 出设备提 供P L C控制 信号 。每个Y端 口对应一 个输 出组 件，输 出组 件 由输出状 态寄存器、功 率 放大器、继 电器隔离输 出接口电路3 部分组成 ，主 芯 片发送 出的数据存 入输 出状 态寄存器 中，功率 放大器将 寄存器 中的信 号经过放大 用来驱动继 电 器 ，从而控制外部负载 。输 出电路原理图，如图4 所示。 图4中电源直接 由US B接 口提 供 。主芯 片发 出的信号存储在锁存器7 4 HC 5 7 3 中，作为状 态寄 存器准备输 出。本文所要 驱动 的是小功率 负载 ， 而控制 电路 电压为5 V，我 们选择汇科HK4 1 0 0 F - DC5 V S H继 电器 ， 使 控制 电路 和 负 载 电路 分 离 。此继 电器触点最大负载为3 A电流 、AC 2 2 0 V ／ 第3 6 卷第2 期2 0 1 4 - 0 2 下 [ 1 3 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m