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基于ARM_Cortex-M4的PLC结构化框架研究_陈占标.pdf

上传人:哎呦****中 文档编号:498153 上传时间:2023-04-07 格式:PDF 页数:5 大小:1.83MB
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资源描述

1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术60|基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架研究陈占标泉州市天志智能科技有限公司,福建泉州362000摘要:本文构建了包括硬件抽象层、软件构件层和应用层的基于ARMCortex-M4的PLC结构化汇编框架,并指出了框架设计原则,设计了包括CAN模块扩展站点分配功能和PID功能的、具有层次性的框架。最后,测试结果表明PLC结构化汇编框架规范且具有实用性。关键词:PLC;ARMCortex-M4;汇编框架;汇编程序中图分类号:TP212文献标志码:ADOI:10.19772/ki.209

2、6-4455.2022.12.013 0引言ARM Cortex-M4主要应用于传感、决策、中断驱动等领域,具有功耗低、成本低、性能高、扩展性好等特征1。但与C语言相比,基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架不够直观,编程难度较大,对基于ARM Cortex-M4的PLC结构化框架应用发展产生不利影响。对此,本文构建PLC结构化汇编框架模型,根据框架设计原则,设计具有可移植性,包括CAN模块扩展站点分配功能和PID功能的框架,并对PLC框架进行测试分析,旨在为学习者有效学习及提升编程效率提供借鉴与参考。1PLC结构化汇编框架模型构建PLC结构化汇编框架可应用于汇编编程,在具体编程时,

3、可以应用硬件抽象层、软件构件层、应用层三层逻辑架构2,具体如图1所示。硬件抽象层应用嵌入式系统,该系统可以将硬件与软件系统融合,有利于明确硬件与软件之间的关系3。在具体应用中,硬件层应用于芯片上电后复位启动与编译链接中,可以对设备外设的硬件寄存器地址和异常进行自整定处理。软件构件层具有可重复性、规范性、嵌入性图 1结构化汇编框架特征,是组织嵌入式系统的功能单位4。需要注意的是,应用构建是封装而成的,所以在编程过程中,需要调用底层驱动构件。应用层包括中断服务例程、用户主程序等。2PLC结构化汇编框架设计原则基于软件工程理论的分析可知,保证结构的清晰性是PLC结构化汇编框架设计的基本点。在文件内容

4、安排方面,应保证其具有合理性、易修改性、可扩展性等特征5。为保证软件开发效率与质量,在设计PLC结构化汇编框架过程中,作者简介:陈占标,男,福建三明,中级工程师,研究方向:工业控制系统研究与开发。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|61电子元器件与材料表 1PLC 结构化汇编框架的技术参数软件支持软件支持 GX Developer 与 GX Works2 软件编程、读取、下载、检验、诊断、监控程序步数程序步数32000 步电压输入额定电压DC24V电压变动电压变动范围:5%电压失衡率 3%;频率 5%X 点输入元件范围X0X377 计 256 点硬件范围X0X77 计 64 点 Y 点输出

5、元件范围Y0Y377 计 256 点硬件范围Y0Y77 计 64 点 高速脉冲最大支持 Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7 八路,Y0-Y5 同时最高 200KHz,Y6-Y7 同时最高 100KHz,支持 PLSY 与 PLSR 发送脉冲(支持定位指令)模拟量AD 输入最多 16 路,0-10V/4-20ma,12bitDA 输出2 路,0-10V/4-20ma,12bit通信接口RS2321 路,支持梯形图下载、触摸屏通信协议RS4852 路,支持主从站设置,MODBUS-RTU 协议(支持位元件按字读取)、RS、RS2 无协议通信,支持主站编程协议。CAN支持寄存器共享;支持

6、模块扩展功能,最大支持 16 个从机,支持扩展输入、输出、模拟量、称重、NTC、PT100、热电偶等功能ENET 网口支持 ENET 网口基础功能、ENET 网口 MODBUS TCP/UDP 服务器(从)、ENET 网口MODBUS TCP/UDP 客户端(主),IPv4,ARP,IGMP,PPPoE 协议,支持 8 个独立硬件Socket,各路通信互不影响,支持远程参数上下载、在线监控功能时钟万年历时钟功能与原装兼容(密码为 12345678 时,编程软件不能修改时钟数据)编码器编码器输入功能最多支持两路 AB 相输入,最高响应 100KHz(且 AB 相输入可以选择 2 倍频与 4 倍频

7、相同的编码器可获得 24 倍的精度)。看门狗看门狗功能与原装兼容中断功能外部中断功能与原装兼容;支持脉冲捕捉功能,支持 X0-X5 共 6 路,最高响应频率 10KHZ(有滤波)密码支持超级密码设置密码为 12345678 后,程序将不能读取,但是可以读取软元件数据,修改密码程序将清空掉电保持掉电保持数据功能所有掉电全是 FLASH 保持(10 年以上),上电时会对数据进行检验故障检测ERR 灯程序在 PLC 运行时,会对程序指令与元件范围等进行检验,检测有问题会报相应的故障;当运行时,检测有故障时,轻微故障:ERR 灯闪烁;严重故障:ERR 灯长亮运行灯RUN 灯当运行开关拔向 RUN 时,

8、RUN 运行灯闪烁加减速PLSV 指令支持 PLSV 指令通过 M8338 设置是否需要加减速恒定扫描恒定扫描模式D8039-恒定扫描时间,M8039-恒定扫描模式D 寄存器支持使用 D 寄存器位元件:Dn.b变址寄存器支持使用变址寄存器格式:常数:KnZn、HnZn、位:KnX(YMTC)Zn、字:D(TC)nZndianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术62|应遵循以下几点原则,即可复用、可维护、可移植等基本思想原则。每款芯片都有其自身的初始化文件,为保证框架汇编的有效性,可以将这些芯片的初始文件组织在一起,避免在对某款芯片开发过

9、程中,特意修改某一文件6。PLC结构化汇编框架设计需要对芯片相关程序框架文件、软件构件文件、主程序文件等进行汇编。为提升汇编效率,提升阅读清晰度,需要将这些文件分类,并将分类号的文件组织放在统一的文件夹下,实现目录结构的合理分类。不同的开发环境需要不同的配置,在设计PLC结构化汇编框架时,需要将所有工程配置文件,如链接文件等,组织在一起,避免在同一开发环境下,进行重复配置,并提升不同环境下查找配置文件的便利性7。在设计PLC结构化汇编框架时,应根据软件商的分层思想,将软件构件分为底层驱动构件、应用构件、高层软件构件8。同时,在设计过程中,可以将不同层次的构件存放在不同文件夹中,保证文件的功能明

10、确,结构清晰。另外,在制作构件过程中,应对构件的共性、特征进行分析,在提取构件属性的基础上,使构件移植到不同的环境中,最大程度避免源程文件的修改。在编译链接过程中,源程序将产生机器码文件,用户可以通过下载该文件的方式,在目标板中运行,经过重新编译后,文件极有可能发生改变,这些新文件需要单独存储9。表 2CAN 模块扩展站点分配名称型号站点地址段模拟量4AD4DA0-2站 0:D7100-D7107,站 1:D7110-D7117,站 2:D7120-D71278AD3站 3:D7130-D7137温度6PT4-5站 4:D7140-D7145,站 5:D7150-D71558NTC6站 6:D

11、7160-D71676TC7-8站 7:D7170-D7175,站 8:D7180-D7185称重4WT9-10站 9:D7200-D7207,站 10:D7210-D7217输入输出8X8Y11-12站 11:X100-X107,Y100-Y107,站 12:X110-X117,Y110-Y11716X16Y13-14站 13:X120-X137,Y120-Y137,站 14:X140-D157,Y140-Y157表 3PID 功能选择说明地址功能设定说明S3采样时间(TS)设定范围 132767(ms),但需大于 PLC 程序扫描周期S3+1功能模式 ACTBit00:正动作 1:逆动作B

12、it10:无输入变化量报警,1:输入变化量报警有效Bit20:无输出变化量报警,1:输出变化量报警有效:bit2 和 bit5 请勿同时置 ONBit3备用Bit40:自整定不动作,1:执行自整定Bit50:无输出值上下限设定,1:输出值上下限设定有效:bit2 和 bit5 请勿同时置 ONBit6备用Bit7备用Bit8110:增量 PID,1:位置 PIDBit1215备用 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|63电子元器件与材料3PLC结构化汇编框架结构与设计3.1框架的结构组织PLC结构化汇编框架的技术参数如表1所示。基于技术参数分析,根据框架模型中的相应顺序,对框架中的文件夹进

13、行编号,为明确程序的运行情况,通常设置LED闪烁功能,加入了LED闪烁相关指示文件10。当主机功能不够用的情况,增加了CAN扩展功能,当主机与扩展模块通信正常时:主机处于STOP时,扩展的RUN灯间隔1.5s闪烁一次;当主机处于RUN时,扩展的RUN灯基本与主机闪烁一致;当主机与扩展模块通信当通信中断时:扩展的RUN灯熄灭,并关闭所有输出。在此基础上,添加了CAN模块扩展站点分配功能(表2)和PID功能(功能选择见表3)。3.2框架设计分析在框架设计过程中,需要注重分析工程文件夹的内容情况,文件夹内除基础编程环境需要保留的文件夹外,添加编号的子文件夹的个数、名称应固定11。同时,框架设计应保证

14、框架能够在不同的CPU、芯片与开发环境中移植,并对移植时修改的内容进行说明。3.3主程序文件设计整体而言,PLC结构化汇编要包含名为main.s的汇编主程序文件,同时要保证汇编程序具有简洁性和清晰性。主程序文件main.s包括以下几点。(1)工程描述:工程名、版本、日期等。若在调试过程中有新的添加内容,可以在原有基础上进行补充,目的在于便于使用,且能够提供备忘信息。(2)总头文件:对头文件、宏定义(主程序文件中)等进行声明11。(3)主程序:本框架中,将主程序设计为初始化与主循环两部分。其中,主循环代表的是程序工作循环。在实际运行中,可以根据实际需求进行设计,但程序段不宜过长,具体功能需要在调

15、试后实现。(4)内部直接调用子程序:若存在不能单独存RAM的子程序,可以存放在内部直接调用子程序中11。若有多个子程序,需要单独存在外部Flash,并进行独立校验。(5)外部子程序:若外部子程序使用的是独立存RAM的子程序,可以使用“.include”包含12。(6)程序加密:下载程序时自动读取ARM Cortex-M4芯片与外部Flash自带的ID号,并且进行无序打散,从二进制转换成十六进制,无序存放在ARM 芯片与Flash的某些位置,再次上电后,系统自动验证该配套ID号。4PLC结构化汇编框架测试首先,在开发环境中导入汇编框架,创建需要测试的工程内容,并调用GPIO构件,实现LED灯闪烁

16、功能12。其次,根据上述主程序的设计方法编制主程序。最后,将测试工程编译链接后,下载到目标板上,重新通电运行,能够观察到LED灯间隔闪烁,RS485、RS232、CAN通信正常,且运行稳定。通过测试结果分析可知,PLC结构化汇编框架规范、有效,能够为微处理器深层次的应用开发和汇编语言研究提供便利途径。5结语本研究主要介绍了基于ARM Cortex-M4的PLC结构化汇编框架,设计了层次性框架模型,阐述了框架设计原则,并对设计进行详细分析。通过框架测试,结果表明框架具有实用性,可以提升汇编程序的可移植性,并能够降低相关人员学习基于ARM Cortex-M4-PLC结构化汇编程序的难度,具有现实应用价值。参考文献1 刘长勇,王宜怀.基于ARMCortex-M4的mbedOS调度机制剖析J.吉林大学学报(信息科学版),(下转第141页)电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|141人工智能与智能制造资讯的要求。5结语总之,随着计算机技术的迅速发展,新一代人工智能发展规划已经出台,进一步明确了发展人工智能的重要性。新时代计算机信息技术的全面推广,促进了国家经济的可持续发展。而在人工智能的环境中

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