（通信与信息系统专业论文）基于risc的编译型plc的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器是高可靠性、使用灵活、功能丰富的工业自动化控制装置，在 工业中有着广泛的应用和发展前景。近年来，随着p l c 价格的不断降低，中国 经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，越来越多的中小设备开始采用 p l c 进行控制，今后一段时期内p l c 在我国将保持高速增长势头。因此，对p l c 的设计研究就成了一项具有重大意义的课题。本文讨论基于精简指令集r i s c 的 编译型p l c 的研究设计，并探讨了利用c a n 总线来实现p l c 数字量端口的扩 展，主要完成的工作有以下几点： ( 1 ) 文章首先阐述了可编程逻辑控制器的产生与发展，对可编程逻辑控制器 的国内外研究现状和发展趋势进行了分析，简单介绍了精简指令集r i s c 技术以及采用精简指令集的a v r 单片机技术和c a n 总线技术。 ( 2 ) 结合实例分析了解释型p l c 的工作原理及过程，给出了一般p l c 系统的 软硬件模型，并给出了编译型p l c 系统模型，设计了以精简指令集r i s c 结构的单片机a t m e g a l 2 8 为控制核心的p l c 硬件框架。 ( 3 ) 开发了本编译型p l c 系统的梯形图编辑环境，详细介绍了编辑界面以及 编译型p l c 的指令集的设计，并把指令集集成到编辑环境的插入指令的 菜单栏中，并对梯形图的数据存储以及运算关系等作了详细说明。 ( 4 ) 分析了编译器的设计原理及过程，以及由梯形图编译成可执行代码的过 程。重点分析了由梯形图产生中间代码的过程以及运用精简指令集r i s c 实现产生的中间代码。 ( 5 ) 在文章后面章节，给出了p l c 系统的具体硬件设计，包括a t m e g a l 2 8 单 片机外围电路、i o 端口设计、串口电路以及c a n 总线接口电路，并制 定了利用c a n 总线来扩展p l c 数字量端口的简单协议。最后对全文工作 进行了总结，并提出对本课题的研究结果作进一步研究和完善的希望。 关键词：c a n 总线；p l c ；r i s c ；梯形图；编译器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l ci sah i g h - r e l i a b i l i t y ，f l e x i b i l i t y ，f e a t u r e - r i c hi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d c o n t r o ld e v i c e s ，w h i c hh a sab r o a da p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t si ni n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep r i c e so fp l cc o n t i n u et ol o w e r ，a n dt h er a p i dd e v e l o p m e n t o fc h i n a se c o n o m ya n dt h eb a s i sf o rt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h el e v e lo f a u t o m a t i o n ，m o r ea n dm o r es m a l la n dm e d i u m - s i z e de q u i p m e n tb e g a nt ou s ep l c t o c o n t r o l ，a n dp l cw i l lm a i n t a i ni t sh i 【g hg r o w t hm o m e n t u mi nap e r i o do ft i m ei n c h i n a t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fp l cb e c a m eas i g n i f i c a n ti s s u e i nt h i sp a p e r ，d i s c u s s t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc o m p i l e dp l cb a s e do nt h ea v rm i c r o c o n t r o l l e r ，a n d e x p l o r et h ee x p a n s i o no f t h en u m b e ro f p o r t so fp l c w h i c hw a su s e do fc a nb u st o r e a l i z e ，t h em a i n l yw o r kt oc o m p l e t eo ft h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) f i r s t l y ，t h ea r t i c l ed e s c r i b e dt h ep r o d u c ea n dd e v e l o p m e n to fp r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e ra n da n a l y z e dt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ro nt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n d b r i e f l y i n t r o d u c ea v r m i c r o c o n t r o u e rt e c h n o l o g ya n dt h ec a nb u s ( 2 ) a n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s so ft h ee x p l a i n e dp l cw i t h e x a m p l e s ，g i v e nt h eg e n e r a ls y s t e mo ft h ep l c h a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d e l ，a n d g i v e nt h ec o m p i l e dp l cs y s t e m sm o d e l ，d e s i g n e dp l c h a r d w a r ef r a m e w o r kw h i c h w a su s e dr e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p uo ft h ea t m e g a l 2 8a v rm i c r o c o n t r o l l e r s e r i e sa sc o n t r o lc o r e ( 3 ) d e v e l o p e d t h ep l cl a d d e re d i te n v i r o n m e n tw i t ht h ec o m p i l e ds y s t e m ， d e s c r i b e di nd e t a i le d i t i n gi n t e r f a c ea n dc o m p i l e ro ft h ep l ci n s t r u c t i o ns e td e s i g n ， i n t e g r a t i o nt h ei n s t r u c t i o n st oe d i te n v i r o n m e n t a ld i r e c t i v e s i n t ot h em e n ub a ra n d t r a p e z o i d a lm 叩d a t as t o r a g ea n dc o m p u t i n gm a d ea d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fr e l a t i o n s ( 4 ) a n a l y z e dt h ed e s i g np r i n c i p l e sa n dp r o c e s s e so ft h ec o m p i l e r ，a n da n a l y z e dt h ep r o c e s s f r o mt h el a d d e rp r o g r a mc o m p i l e di n t oe x e c u t a b l ec o d e f o c u so fal a d d e rf r o mt h em i d d l eo ft h e p r o c e s sa n dt h eu s eo fc o d ea v r m i c r o c o n t r o l l e rc o m m a n ds y s t e mt oa c h i e v et h ei n t e r m e d i a t e c o d e i i 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) i nt h eb a c ks e c t i o no ft h ea r t i c l e ，g i v e nt h es p e c i f i cp l cs y s t e mh a r d w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n gt h ea v r m i c r o c o n t r o l l e re x t e r n a lc i r c u i t , i | op o r td e s i g n ，s e r i a l c i r c u i t sa n dc a nb u si n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dd e v e l o p e d s i m p l ea g r e e m e n te x p a n dt h e p o r to ft h ep l c u s e dc a n b u s f i n a l l y ，s u m m a r i z e dt h ew h o l et e x ta n dm a d et h e s u b j e c to ft h er e s e a r c hf i n d i n g sf o rf u r t h e rs t u d ya n di m p r o v eh o p e k e yw o r d s ：c a n - b u s ；p l c ；r i s c ；l a d d e rd i a g r a m ；c o m p i l e r i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缮旦菱红日期：冱3 = 芏：2 圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝坚坌兰导师签名：l 錾2 垒日期：坦! 堡：警，2 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 可编程逻辑控制器产生与发展 上世纪6 0 年代，计算机控制技术已经开始用于工控领域，但由于技术复杂、 编程不便、价格昂贵等原因，未能广泛应用。1 9 6 9 年美国最大的汽车制造商通 用汽车公司( g m ) ，为了适应汽车型号的不断翻新，设想把计算机通用、灵活的优点 和继电器系统简单、易懂、操作方便、价格便宜的优点结合起来，制造一种通 用的控制装置，并把计算机编程的方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的 自然语言进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便使用，这就是可编程逻辑控 制器即p l c ( p r o g r a ml o g i cc o n t r 0 1 ) 问世前的设想i l l 。 美国数字设备公司( d e c ) 研制出了第一台p l c ，在美国通用汽车自动装配线 上试用成功。从那时起，各个公司都相继朝着p l c 实用化阶段发展。在美国p l c 的影响下，欧洲各国相继投入力量研制p l c ，日本由于本国集成电路技术的迅猛发 展，使p l c 的集成度进一步提高。7 0 年代中期，p l c 进入实用化发展阶段，美、日、 德等一些厂家开始采用微处理器( m p u ) 作为p l c 的中央处理单元( c p u ) 来扩大 功能、提高可靠性、增加灵活性和降低成本。1 9 7 7 年底美国m o t o r o l a 公司 研制成一位微处理器m c l 4 5 0 0 芯片，于是很快出现了一位机p l c 。由于其结构简 单，编程容易，具有较强抗干扰能力，因而很快取代了矩阵式顺序控制器，推动了 p l c 的普及和发展。7 0 年代末p l c 技术进入成熟阶段。十六位微处理器和5 1 系列单片机相继问世，使p l c 向大规模、高速度、高性能方面发展，形成了各个系 列的产品。同时出现了紧凑型、低价格的新一代产品和多种不同性能的分布网 络系统。此时面向工程技术人员的p l c 语言也发展成熟，出现了工艺人员使用的 图形语言。在功能上p l c 已可以完全取代传统的逻辑控制装置、模拟控制装置 和小型的d d c ( d i r c c td i g i t a lc o n t r o l l e r 直接数字控制) 控制系统，应用的领域也不 断扩大。 1 2 国内外可编程逻辑控制器的现状及发展趋势 8 0 年代中期世界上已有近百个厂家，二百多种系列机型。p l c 俨然成为工业 武汉理工大学硕士学位论文 控制的标准设备。9 0 年代p l c 发展更为迅猛，各个公司在进一步完善自己原有产 品的基础上，不断开发出新的系列产品并增强联网功能。p l c 软件不断向前发展， 与计算机连接更加方便完善。 1 2 1 国外可编程控制器现状 目前，全世界约有p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产品种达3 0 0 多个。全球p l c 发运 件数1 9 9 8 年为1 4 5 6 万件，1 9 9 9 年为1 6 2 0 万件，2 0 0 1 年达至1 j 1 7 7 8 万件。在2 0 0 1 年发 运的p l c 中，按最终用户分：汽车占2 3 ，粮食加工占1 6 4 ，化学药品占1 4 6 ，金 属、矿山占1 1 5 ，纸浆、造纸占1 1 3 ，其他占2 3 2 。而且随着p l c 与i p c 、d c s 集成，p l c 逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。2 0 0 0 年 p l c 的销售额在控制市场份额中超过5 0 【1 1 。在全球p l c 铝i j 造商中，根据美国 a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o r p ( a g c ) i 周查，世界p l c 领导厂家的五霸为s i e m e n s ( 诬i 门 子) 公司、a l l e n b r a d l e y ( a b ) 公司、s c h n e i d e r ( 施耐德) 公司、m i t s u b i s h i ( - - - 菱) 公司和o m r o n ( 欧姆龙) 公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二【2 1 。 1 2 2 国内可编程控制器发展及应用现状 自上世纪七十年代引进p l c 以来，p l c 在我国的应用已有近4 0 年的历史。引 进初期，由于p l c 价格昂贵，引进的p l c 主要用于冶金、电力、自动化生产线等 大的设备和系统。近1 0 年来，随着p l c 价格的不断降低和用户需求的不断扩大， 越来越多的中小设备开始采用p l c 进行控制，p l c 在我国的应用增长十分迅速。 随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内p l c 在我国仍将保持高速增长势头。但是，受各种因素的影响，国产p l c 一直没有形 成产业化规模，从产品结构上看，我国自主研制及引进技术生产的p l c 大都属于 中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品，目前中国市场上9 5 以 上的p l c 产品来自国外公司。 我国工业企业的自动化程度普遍较低，p l c 产品有很大的应用空间，如机械 行业8 0 以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。因此，p l c 在我国 的应用潜力远没有得到充分发挥，产业化还有一段很长的路要走。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 可编程控制器发展趋势 p l c 产生于上世纪6 0 年代，崛起于7 0 年代，成熟于8 0 年代，并于9 0 年代取得技 术上的新突破；进入2 1 世纪，伴随着信息技术、电子技术、控制技术的不断发 展，p l c 的发展趋势主要体现在以下方面1 3 1 ： ( 1 ) 产品规模向两极分化 虽然p l c 的体积已经很小了，但由于微电子技术的发展、电路集成度越来越 高，p l c 的外形尺寸仍在不断缩小，以便放入更小的空间。p l c 的运算速度、处理 能力、存储容量越来越高。 ( 2 ) 开放和基于工业p c 控制。 各个p l c 厂商按标准生产的设备经检测合格后，可直接联网，通信畅通无阻。 ( 3 ) 开发仿真软件【4 1 。 为了缩短安装调试的工期，各个p l c 厂商均推出了自己的仿真调试环境，可以 代替实际的硬件运行，大大缩短了现场调试的工期。 ( 4 ) 实现远程服列引。 以i n t e m e t 为平台，可以通过电话线或无线实现全球化的远程服务，一些高水 平的专家还可为全球用户提供技术服务。 1 2 4p l c 的应用 p l c 的应用相当广泛，包括开关量逻辑控制、运用控制、过程控制、数据处 理及通信等。本文研究的p l c 可以应用于开关量逻辑控制，数字量p l c 是指该 p l c 的c p u 板与i o 装置和外设之间的传递的信号是数字的联系，它完成电平转 换，电气隔离，串并型数据转换，码字错误检测以及提供具有足够驱动能力的 各种数字驱动信号等工作。数字p l c 的输入信号通常来自按钮、开关和继电器触 点等实际开关量，也可以是各种外设或被控制对象送来的数字量。它的数字输 出信号主要是以继电器触点或与1 r l 电平兼容的数字电平形式提供的。 在p l c 发展初期，开关量的逻辑控制是p l c 最基础最广泛的应用领域，由于 p l c 设置了与( a n d ) 、或( o r ) 、非( n o t ) 等逻辑指令，在很大程度上取代了传统的 继电器控制系统，能实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动 化生产线的控制等等。如：汽车零部件装配线上的物件输送以及各工序的加工 与动作，电动机的控制，高炉上料系统，电梯控制，港口码头货物运输控制等。 3 武汉理工大学硕士学位论文 它在注塑机、烟草机械、印刷机械、组合机床、包装流水线、电镀流水线等生 产和物流控制方面也都存在广泛的应用。在p l c 分类中，按输入输出点数和存储 容量分类，p l c 大致可分为微、小、中、大、巨型多种产品，按开关量i o 点数 分，可以分为：微型p l c ，约3 2 点；小型p l c ，约2 5 6 点；中型p l c ，约1 0 2 4 点； 大型p l c ，约4 0 9 6 点；巨型p l c ，约8 1 9 5 点( 近来有单机支持3 0 0 个回路和6 5 0 0 0 点d i d o 的巨型系统) i 刀。本文将给出微型p l c 的软硬件设计。 1 3 微处理器技术 r i s c ( 精简指令集计算机) 和c i s c ( 复杂指令集计算机) 是当前c p u 的两种架 构。它们的区别在于不同的c p u 设计理念和方法。早期的c p u 全部是c i s c 架构， 它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。r i s c 架构要 求软件来指定各个操作步骤，这样可以降低c p u 的复杂性以及允许在同样的工 艺水平下生产出功能更强大的c p u 。 1 3 1 r i s c 技术 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 是一种执行 较少类型计算机指令的微处理器，起源于8 0 年代的m i p s 主机( 即r i s c 机) ， r i s c 机中采用的微处理器统称r i s c 处理器，它能够以更快的速度执行操作( 每 秒执行更多百万条指令，即m i p s ) 。因为计算机执行每个指令类型都需要额外 的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也 会更慢。 纽约约克镇i b m 研究中心的j o h nc o c k e 证明，计算机中约2 0 的指令承担 了8 0 的工作，于1 9 7 4 年，他提出r i s c 的概念。许多当前的微芯片现在都使用 r i s c 概念。它已经引领了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考 虑到：指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上( 理想情况下，一条 指令应在一个时钟周期内执行完) ；体系结构需要多“简单；以及在不诉诸 于软件的帮助下，微芯片本身能做多少工作等等。 在精简了r i s c 微处理器的指令系统，采用超标量和超流水线结构；指令 数目只有几十条，却大大增强了并行处理能力。该处理器的性能特点如下： ( 1 ) 由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行； 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理 速度； ( 3 ) 采用缓存一主机一外存三级存储结构，使得取数与存数指令分开执行，使 处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 r i s c 芯片的工作频率一般在4 0 0 m h z 数量级。时钟频率低，功率消耗少，温 升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳 多部并行操作。在r i s c 微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字( w ) 微处理器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以能并行执行。 v l i w 处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使每个机器周期内有多个操作。 有些r i s c 处理器中也采用少数v l i w 指令来提高处理速度。 1 3 2a v r 单片机及体系结构 a t m e l 公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数 字模拟i c 芯片的半导体制造公司。在单片机微控制器方面，a t m e l 公司有 a t m e l 公司有a t 8 9 、a t 9 0 和a r m 三个系列单片机的产品。a t m e l 公司在其 单片机产品中，融入了先进的e 2 p r o m 电可擦除和f l a s hr a m 闪速存储器技术， 使得该公司的单片机具备了优秀的品质，在结构、性能和功能等方面都有明显 的优势。 由于8 0 5 1 本身结构的先天性不足和近年来各种采用新型结构和新技术的单 片机的不断涌现，现在的单片机市场是百花齐放。a t m e l 在这种强大市场压力 下，发挥f l a s h 存储器的技术特长，于1 9 9 7 年研发并推出了个新配置的、采用 精简指令集r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 结构的新型单片机，简称a v r 单 片机。这种结构使得a v r 单片机具有接近lm i p s m h z 的高速处理能力。为了加 快进人市场和简化维护，对于单片机来说，用高级语言编程成为一种标准编程 方法。a v r 单片机的开发目的在于，能采用c 语言编程，从而能高效地开发出目 标产品。 a v r 单片机有良好的性能价格比。这个系列有引脚少的器件，也含有较大容 量存储器、引脚较多的器件。由子a v r 单片机是采用h a r v a r d 结构的，因此程 序存储器和数据存储器是分开的。可直接访问全部程序存储器和数据存储器， 寄存器文件被双向映射，并能被访问，如同片内允许快速上下转换的那部分s r a m 存储器。a v r 单片机采用低功率、非挥发的c o m s 工艺制造，内载f l a s h 、e e p r o m 5 武汉理工大学硕士学位论文 及s r a m 等。不同用处的存储器。通过s p i 口和一般的编程器，可对a v r 单片机 的f l a s h 存储器进行编程。 a v r 单片机吸取了p i c 及8 0 5 1 单片机的优点，同时还做了一些重大改进， 其主要的优点如下： 片内集成可擦写1 0 0 0 0 次以上的f l a s h 程序存储器。由于a y r 采用1 6 位的指令，所以一个程序存储器的存储单元为1 6 位，即x x x x * 1 6 ( 也可 理解为8 位，即2 * x x x x * 8 ) 。a v r 的数据存储器还是以8 个b i t ( 位) 为一 个单元，因此a v r 还是属于8 位单片机。 采用c m o s 工艺技术，高速度( 5 0 n s ) 、低功耗( u a ) 、具有s l e e p ( 休眠) 功能。a v r 的指令执行速度可达5 0 n s ( 2 0 h z ) ，而耗电则在l u a 2 5 m a 之间( 典型功耗，w d t 关闭时为l o o n a ) 。a v r 运用h a r v a r d 结构概念，具 有预取指令的特性，即对程序存储和数据存取使用不同的存储器和总 线。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得 指令可以在每一个时钟周期内执行。 高度保密( l o c k ) 。可多次擦写的f l a s h 具有多重密码保护锁死( l o c k ) 功 能，因此可低成本高速度地完成产品商品化，并且可多次更改程序( 产 品升级) 而不必浪费i c 或电路板，大大提高了产品的质量及竞争力。 工业级( w d t ) 产品。具有大电流( 灌电流) l o m a 2 - - 一2 0 m a 或4 0 m a ( 单一输出) 的特点，可直接驱动s s r 或继电器。有看门狗定时器( w d t ) 安全保护， 可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。 超功能精简指令。具有3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的3 2 个累 加器) ，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象，1 2 8 - - 一4 k 字节s r a m 可灵活使用指令运算，并可用功能很强的c 语言编程，易学、易写、易 移植。 程序写入器件可以并行写入( 用编程器写入) ，也可使用串行在线编程 ( i s p ) 方法下载写入，不必将单片机芯片从系统上拆下，拿到万用编程 器上烧写，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧写等操作，方便产 品升级，尤其是采用s m d 封装，更利于产品微型化。 有串行异步通信u a r t 硬件接口电路，采用单独的波特率发生器，并不 占用定时器。有s p i 传输功能。因其高速，故可以在一般标准整数频率 下工作，而波特率可达5 7 6 k b p s 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 a v r 单片机还在片内集成了可擦写1 0 0 0 0 0 次的e 2 p r o m 数据存储器，等 于又增加了一个芯片，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后 的数据保存，既方便了使用，减小了系统的空间，又大大提高了系统的 保密性。 a t m e g a l 2 8 内核作为单片机的核心部分一中央处理单元( c p u ) ，它的主要 任务是保证程序的正确执行。因此它必须能够访问存储器，执行运算，控制外 设以及处理中断。为了得到好的性能以及并行性，a v r 采用了h a r v a r d 结构， 具有独立的数据和程序总线。程序存储器的指令通过一级流水线运行。c p u 在 执行一条指令的同时读取下一条指令( 即预取) 。这个概念实现了指令的单时钟周 期运行。为了对目标代码大小、性能及功耗进行优化，a v r 单片机采用了大型 快速存取寄存器文件和快速单周期指令。快速存取r i s c 寄存器文件由3 2 个通 用工作寄存器组成，如下图1 - 1 所示。 通用工作寄存器 765 43 2lo r 0 r 1 r 2 r 1 3 r 1 4 r 1 5 r 1 6 r 1 7 i 也6 r 2 7 i 也8 i 也9 r 3 0 r 3 1 a d d r $ 0 0 $ 0 1 $ 0 2 $ 0 d $ o e $ 0 f $ 1 0 $ 11 $ 1 a x 寄存器，低字节 $ 1 bx 寄存器，高字节 $ l cy 寄存器，低字节 $ 1 dy 寄存器，高字节 $ l ez 寄存器，低字节 $ l f z 寄存器，高字节 图1 1c p u 3 2 个通用工作寄存器的结构 传统的基于累加器的结构需要大量的程序代码，以实现累加器和存储器之 7 武汉理工大学硕士学位论文 间的数据传输；在a v r 单片机中，用3 2 个通用工作寄存器代替累加器，从而可 以避免传统的累加器和存储器之间的数据传输造成的瓶颈现象。 寄存器文件里有6 个寄存器可以用作3 个1 6 位的间接地址寄存器指针以寻 址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询 表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为1 6 位的x 、y 、z 寄存器。a l u 支 持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。a l u 也可以执行单寄 存器并且寄存器文件针对a v r 增强型r i s c 指令集做了优化。 1 4 现场总线技术简介 现场总线控制系统是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪 表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统后的新一代控制系统，是 电子技术、计算机技术和通讯技术发展和结合的产物，而绝非计算机技术和现 场仪表技术的简单结合。 上世纪5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于初级 发展阶段，采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具有简单测控功能的基地式 控制仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，即 各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过现场巡 视，了解生产过程的现状。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数及信息，需 要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式 仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如：0 0 2 - 0 1 m p a 的气压信号，0 , - - , 1 0 m a ，4 - 2 0 m a 的直流电流信号，l - 5 v 直流电压信 号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况， 还可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂的控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速 和精度难度较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取 代模拟信号，于是出现了直接的数字控制。但由于当时的数字计算机技术尚不 发达且价格昂贵，人们设想用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表盘，这 就是所称的集中式数字控制系统。但由于当时数字计算机的可靠性较差，一旦 8 武汉理工大学硕士学位论文 计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，以 至于生产过程很难接受这种危险比较集中的系统结构。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编 程控制器( p l c ) 以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系 统，即d c s 系统。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而d c s 实际上是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能和性能上较模拟仪表、集中 式数字控制系统有了很大的进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化。 但是在d c s 系统形成的过程中，由于受计算机系统早期系统存在的系统封闭这 一缺陷的影响，各个厂家的产品自成系统，不同厂家的产品不能互连在一起， 难以实现互换和互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。而 新型的现场总线控制系统f c s 则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统 来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准 化的解决方案，即可以把来自不同厂家而遵守同一协议的规范的自动化设备通 过现场总线连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相 结合的集散系统结构，变成了全分布式结构，把控制功能下放到生产工具现场， 依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标 准的定义：现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通讯 协议。也就是说现场总线是控制系统中最底层的通信网络，具有双向数字传输 功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并 通过一条物理媒体互相交换信息。在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的 自动化系统中具有广泛的应用前景。目前世界上使用较多的现场总线有以下几 种：c a n 总线，l o n w o r k s 总线，p r o f i b u s 总线，f f 总线( 基金会现场总 线) 等。其中c a n 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动 化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可 靠的数据通信提供了强有力的技术支持。与其它现场总线比较而言，c a n 总线是 具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的 现场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重 要原因。 1 9 8 6 年2 月德国r o b e r t b o s c h 公司在底特律的汽车工程协会大会上介绍了 一种新型的串行总线c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 控制器局域网，即后来的 9 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 总线。它被设计为汽车环境中的微控制器通讯，组建汽车电子控制网络。 后来，c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。如发动机管理 系统、变速箱控制器、仪表设备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 的简称，最早有德国b o s c h 公 司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被i s o 国际标准组织制定为国际标准。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统 互联基础上的，不过，其模型结构只有3 层，即只取o s i 底层的物理层、数据 链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s ， 直接传输距离最远可达1 0 k m ( 5 k b p s ) ，可挂接设备数量最多可达1 1 0 个 2 2 1 。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时 间短，受干扰的概率低。它支持点对点、一点对多点和全局广播方式收发数据。 它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的 节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲 突。当节点严重错误时，它具有自动关闭功能，以切断该节点的信息【3 9 j 。 目前许多现场总线的介质访问均为主从或令牌方式，如f f 、p r o f i b u s 、 h a r t 、w o r l d f i p 等。主从方式的主要缺点是当主站出现故障时，整个系统就会 瘫痪，而且；令牌方式是对各个通信站逐个访问，当环路上同时需要通信的站 点很多时，有些站等待的时间将比较长，因而实时性较差。另外使用f f 、h a r t 等总线协议需要加入其协会，每年要交一定的费用。而c a n 为多主方式，协议 也是公开的，免费使用。因此c a n 总线被认为是最有发展前景的现场总线之一。 1 5 课题研究的目的和意义 我国自上世纪8 0 年代初引进p l c ，通过技术引进、消化吸收、仿制和国产 化，使我国p c 产品近年来有较大的发展，小型p l c 的有些品种己批量生产， 中型p l c 已有产品，大型p l c 己开始研制。但是到目前为止，国内用户选用p l c 产品仍以国外产品为主，国内产品的市场占有率不超过1 0 ，有自主产权的p l c 就更少了，p l c 的核心技术一直把握在欧、美、日本等工业发达国家手里。但 中国市场对p l c 的需求却以年递增率1 2 的速度增长。p l c 作为目前工业自动 化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生 产领域发挥着愈来愈大的作用，在汽车制造、粮食加工、化学药品、金属冶炼、 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 矿山开发，造纸业等多行业广泛使用。在中国任由国外产品垄断市场的现状是 不正常的，中国的p l c 不能只停留在消化性研究的水平上，我们还需有自主产 权的新型的p l c 的出现【9 1 。 近年来，国外己经有以p c 为基础、在w i n d o w s 平台下，开发新一代开 放体系结构的p l c 产品出现，但是在中国，形成影响的产品还是比较少见，在 这样的国际、国内背景下研制自己的p l c 产品无论对于国家自动化水平的发展 还是科学研究都具有极为重大的意义。 本文设计研究的p l c 具有以下特点： 。 ( 1 ) 针对目前的p l c 的工作形式大多为解释型的，本系统给出编译型系统 的设计方案。 ( 2 ) 本系统给出了一种梯形图编辑器的设计，通过此界面可以实现指令的 输入删除等操作，对于触点、线圈以及专用功能的指令需要为它配置处理器端 口。 ( 3 ) 分析精简指令集的结构特点，并针对精简指令集r i s c 的a v r 单片机， 通过对其汇编指令的分析，设计开发了基于精简指令集r i s c 结构的p l c 编译 系统。 ( 4 ) 利用汇编语言机器码直接实现指令要求的功能，使p l c 的运行速度大 大提高。 、 ( 5 ) p l c 主机的端口扩展是采用c a n 总线来实现的，其运用更灵活，可 扩展的i o 数多。 1 6 本文所作的主要工作 在对西门子p l c 下载过程的监测以及对解释型p l c 工作原理进行分析的基 础上，确定了本系统的基于r i s c 的编译型p l c 的设计方案。并针对此软件方 案，开发了相应的p l c 编程环境，支持梯形图的编程，设计了编译器，实现了 梯形图指令的编译。给出了p l c 硬件设计，采用c a n 总线实现p l c 主机与扩 展模块的连接通信。本论文主要解决的问题有以下几点： ( 1 ) 分析解释型p l c 工作过程以及组成原理，给出了以精简指令集r i s c 为架构的a t m e g a l 2 8 为控制核心的硬件设计框架，并给出了相关的硬件电路 设计。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计了专用的p l c 编程环境，支持系统设计的专用梯形图指令的插入、 删除、设置属性等操作。 ( 3 ) 针对精简指令集r i s c 架构的a v r 单片机a t m e g a l 2 8 的内核，开发 了专用的梯形图编译系统，设计了一种简单的中间代码，完成了由梯形图语言 到中间代码的转换。并用该处理器的汇编指令来实现这些中间代码，达到直接 利用汇编指令实现梯形图指令的操作，并最终生成a t m e g a l 2 8 单片机的可执行 代码。 ( 4 ) 给出了对p l c 生机的输入输出端口进行扩展的方法，运用c a n 总线 来实现。分析了c a n 总线控制芯片m c p 2 5 1 5 的工作原理，给出了详细的软硬 件设计，并制定了简单的应用层协议。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计构架 本章主要介绍p l c 的系统模型，从硬件形式上看，p l c 的系统模型一般组 成为p l c 主机和扩展模块。从软件的构成来看，则可分为解释型和编译型两种。 本章通过这两种模型的比较分析，给出本系统的软硬件构架。 2 1 系统模型 2 1 1 解释型系统模型 解释型p l c 系统的结构一般如图2 - 1 所示。 扩壤壤块 图2 1 解释系统模型组成 图2 - 1 中的计算机是p l c 的上位机开发集成环境的硬件载体，一般为p c 机， 在此系统上开发集成环境。集成环境一般支持梯形图的编辑和编译。编译后生 成中间代码，下载到下位机系统中解释执行。为了保证用户编写的应用程序顺 利解释运行，在p l c 下位机中，固化了由厂家出厂时设计p l c 解释程序。当系 统以这种解释方式运行时，系统将用户程序的梯形图或者指令表语言语言作为 输入源程序，边读源程序，边解释执行，对于源程序中的每一类指令，都需要 编写一段相对应的解释程序才能完成此指令的功能。在解释执行时，根据读取 的不同的指令，调用不同的解释程序段。 当用户编写完成应用程序时，边下载运行，边调试。在调试过程中，如果 发现程序有错误，则通过通