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第8章其它常用工业控制器简介 8 1DSP的结构特点与工作原理8 2ARM的结构特点与工作原理8 3PLC的结构特点与工作原理 8 1DSP的结构特点与工作原理 8 1 1DSP芯片的特点 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据片内具有快速的RAM快速的中断处理和硬件I O支持具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器等 8 1DSP的结构特点与工作原理 TMS320LF2407A的硬件结构特点 含有两个事件管理器EVA和EVB 每个事件管理器又包含有两个16位的通用定时器 8个PWM通道 可编程的PWM死区控制 3个捕获单元 正交编码脉冲电路等 采用静态CMOS技术 使得供电电压降为3 3V 40MIPS的执行速度使得频率在40MHz时指令周期缩短25ns 含有可扩展的192KB字外部存储器空间 其中64KB程序存储器空间 64KB数据存储器空间 64KBI O寻址空间 基于TMS320C2xxDSP芯片的内核 保证了TMS320LF240 x的代码与TMS320系列的其他DSP芯片代码兼容 8 1DSP的结构特点与工作原理 TMS320LF2407A的硬件结构特点 含有高达32KB字的Flash程序存储器 2 5KB的数据 程序RAM 544B的双口RAM和2KB的单口RAM 含有可实现半双工或全双工通信的串行通信接口 SCI 模块 含有可单独编程或复用的通用输入 输出引脚共41个 含有两个电动机驱动保护中断 复位中断和两个可屏蔽外部中断 含有16位的串行外设 SPI 接口模块 提供了一个高速同步串行总线 可与带有SPI接口的芯片连接 含有3种低功耗模式的电源管理 含有一个看门狗定时器模块 8 1DSP的结构特点与工作原理 TMS320LF2407A的硬件结构特点 含有基于锁相环的时钟发生器 它的10位A D转换器最小转换时间为500ns 可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A D转换器或一个16通道输入的A D转换器 含有控制器局域网络 CAN 2 0B模块 8 1DSP的结构特点与工作原理 8 1 2TMS320LF2407A的引脚功能 8 1DSP的结构特点与工作原理 TMS320LF2407A共有144个引脚 可分为以下几类 事件管理器A EVA 引脚 事件管理器B EVB 引脚 模数转换器 ADC 引脚 通信模块 CAN SPI SCI 引脚 外部中断与时钟引脚 振荡器 PLL FLASH 引导程序及其他引脚 JTAG仿真测试引脚 地址 数据和存储器控制信号引脚 电源引脚 8 1DSP的结构特点与工作原理 总线结构 外部3总线 内部6总线 3条地址总线 3条数据总线 全部为16位 8 1 3TMS320LF2407A的内部结构 8 1DSP的结构特点与工作原理 CPU结构 CPU是DSP的核心部件 主要进行取数 运算 加 乘 移位等 送数的操作 8 1DSP的结构特点与工作原理 8 1 4TMS320LF2407A的存储器和I O空间 8 1DSP的结构特点与工作原理 程序存储器 寻址范围为64KB 包括片内DARAM和片内EEPROM ROM 当访问片外程序地址空间时 自动产生一个访问外部程序地址空间的信号 如PS和DS等 程序存储器中的FLASH空间有内部和外部两种工作方式 受状态系统配置寄存器2的位控制的 8 1DSP的结构特点与工作原理 系统复位后程序指针指向0000H处 程序从该处开始执行 一般要在该处加一条跳转指令使CPU自动转入用户程序的入口 0000H 003FH用于存储系统的中断向量表 当有中断请求信号时 CPU从该处取出中断子程序的入口地址 FLASH的其他区域为用户程序区 8000H 87FFH为单口存储器 SARAM 仿真时 若程序较小 可将程序代码放入该区 8800H FDFFH为用户扩展区 8 1DSP的结构特点与工作原理 数据存储器 寻址范围为64KB 0000H 005FH为专用寄存器区 0060H 007FH为双口存储器DARAM B2 为用户数据区 0200H 02FFH为双口存储器DARAM B0 当CNF 0时为用户数据区 0300H 03FFH为双口存储器DARAM B1 用户数据区 0800H 0FFFH为2K字的单口存储器SARAM 为用户数据区 8 1DSP的结构特点与工作原理 I O空间 I O空间的寻址范围为64KB 其中0000H FEFFH为片外I O端口使用 I O空间只可以用IN和OUT指令访问 访问外部并行I O端口与访问程序 数据存储器复用相同的地址以及全部的数据总线 数据总线宽度为16位 8 2ARM的结构特点与工作原理 ARM是AdvancedRISCMachines的缩写 该公司设计了大量高性能 廉价 耗能低的RISC 精简指令集 处理器 ARM公司的特点是只设计而不生产 它将技术授权给世界上许多著名的半导体 软件和OEM厂商 并提供服务 8 2 1ARM概述 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 1ARM概述 工业控制领域 过程控制 电力控制 数控机床 ABS无线通讯领域 基站 带蓝牙 定位等的手机 PDA GPS网络应用 ADSL 路由器 交换机 VoIP消费类电子产品 DVD 机顶盒 游戏机成像产品 数码相机 打印机 录像机安全产品 ATM机 POS机 考勤系统 SIM卡到目前为止 基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位嵌入式微处理器75 以上的市场份额 全球80 的GSM 3G手机 99 的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器 掌上计算 相关的所有领域皆为其所主宰 8 2ARM的结构特点与工作原理 RISC简单的结构使ARM内核非常小 功耗低 成本低 统一和固定长度的指令域 简化了指令的译码 便于指令流水线设计 采用装载 保存结构 数据处理操作只针对寄存器的内容 而不直接对存储器进行操作 支持Thumb 16位 ARM 32位 双指令集 能很好的兼容8位 16位器件 每条数据处理指令都对算术逻辑单元和移位器控制 实现了ALU和移位器的最大利用 寻址方式灵活简单 执行效率高 地址自动增加和减少寻址模式 优化程序循环 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行 ARM体系结构的特点 8 2ARM的结构特点与工作原理 ARM芯片 内核和CPU的关系 ARM芯片 ARM内核 ARM内核 ARMCPU ARMCPU数据通路 ARMCPU控制逻辑 8 2ARM的结构特点与工作原理 ARMCPU的指令集体系ISA InstructionSetArchitecture 先后出现了v1 v2 v3 v4 v4T v5TE v5TEJ v6 v7等版本 ARM处理器的大量应用是从v4版开始的 目前v7是最新的版本 也被称作CorTex系列 ARM处理器系列与ARMISA版本之间的关系如下 8 2ARM的结构特点与工作原理 ARM处理器 核 比较 8 2ARM的结构特点与工作原理 基于ARM内核的常用微处理器简介 ARM微处理器有多种内核结构 还有多种多样的内部功能配置组合 在设计一个系统时选择最合适的ARM芯片非常重要 一些主流的ARM9处理器芯片如 飞思卡尔 MC9328MX27 三星 S3C2440A Atmel公司 AT91SAM9263 意法半导体 STR91x 恩智浦半导体 LPC2000系列 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 2ARM处理器的工作状态 ARM状态执行32位字方式的ARM指令Thumb状态执行16位半字方式的Thumb指令Jazelle状态执行可变长的 以字节为单位的Jazelle Java 指令 注意 1 处理器复位后处于ARM状态 2 处理器异常处理时进入ARM状态 3 若处理器在Thumb状态进入异常 则异常返回仍然自动转换到Thumb状态 4 状态切换不影响工作模式及寄存器内容 8 2ARM的结构特点与工作原理 ARM处理器工作状态的切换 使用跳转指令BX 分支指令 更改指令集 可将处理器内核在ARM状态和Thumb状态之间进行切换 从Arm状态切换到Thumb状态LDRR0 Lable 1BXR0 从Thumb状态切换到ARM状态LDRR0 LableBXR0 地址最低位为1 表示切换到Thumb状态 地址最低位为0 表示切换到ARM状态 跳转地址标号 最低2bit为0 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 3ARM处理器的运行模式 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 3ARM处理器的运行模式 除用户模式外 其它模式均为特权模式 ARM内部寄存器和一些片内外设在硬件设计上只允许 或者可选为只允许 特权模式下访问 此外 特权模式可以自由地切换处理器模式 而用户模式不能直接切换到别的模式 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 3ARM处理器的运行模式 这五种模式称为异常模式 它们除了可以通过程序切换进入外 也可以由特定的异常进入 每种异常模式都有一些独立的寄存器 以避免异常退出时用户模式的状态不可靠 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 3ARM处理器的运行模式 这两种模式都不能由异常进入 而且它们使用完全相同的寄存器组 系统模式是特权模式 操作系统在该模式下访问用户模式的寄存器就比较方便 而且操作系统的一些特权任务可以使用这个模式访问一些受控的资源 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 4ARM状态各模式下的寄存器组织 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 4ARM状态各模式下的寄存器组织 R0 R7为不分组寄存器注意 在异常处理中进行模式切换时 可能会破坏寄存器中的数据 需要保护 R8 R14为分组寄存器 不同处理器模式下它们对应不同的物理寄存器 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 4ARM状态各模式下的寄存器组织 R8 R12有一个分组专用于FIQ模式 这样在发生FIQ中断后 可以加速FIQ的处理速度 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 4ARM状态各模式下的寄存器组织 R14为链接寄存器LR 具有两个特殊功能 用于保存子程序返回地址 根据不同的异常模式保存为异常返回地址 有些异常有一个小的固定偏移量 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 5Thumb状态与ARM状态的寄存器映射关系 低寄存器 高寄存器 Thumb状态下高寄存器 R8 R15 不是标准寄存器集的一部分 但可以使用MOV CMP和ADD指令对高寄存器操作 8 2ARM的结构特点与工作原理 8 2 6引导程序BootLoader 是嵌入式系统在加电启动后执行的第一段代码 功能类似PC机的BIOS和OSLoader 通常需要固化在目标板中 主要负责CPU 存储器及相关硬件的初始化 以及将装载操作系统映像到内存中 然后跳转到规定的地址启动操作系统运行 Bootloader是严重依赖硬件而实现的 每一种不同体系结构的处理器都有不同的Bootloader 甚至同一种处理器由于外围硬件配置不同 其Bootloader也有差别 因此开发特定的Bootloader是构建嵌入式linux系统之前的一项必要的基础工作 8 2ARM的结构特点与工作原理 Bootloader的开发 Stage1 汇编实现 基本硬件设备初始化 CPU时钟频率 寄存器 存储器数据宽度 访问周期 刷新周期 中断系统 I O端口等 为第二阶段准备RAM空间 设置堆栈 复制第二阶段代码到RAM中 并跳转到第二阶段入口点 Stage2 C实现 初始化本阶段要使用的硬件设备 实现对板级驱动的支持 检测系统内存映射 将内核镜像和根文件系统镜像从flash读到RAM中 为内核设置启动参数 将PC指针指向内核的入口处 调用内核 挂载文件系统 8 3PLC的结构特点与工作原理 8 3 1PLC概述 可编程控制器 ProgrammableController 是计算机家族中的一员 是为工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 ProgrammableLogicController 简称PLC 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称PC 但是为了避免与个人计算机 PersonalComputer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称PLC 8 3PLC的结构特点与工作原理 PLC的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 功能强 性能价格比高 3 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 4 编程方法简单易学 5 系统的设计 安装 调试工作量少 6 维修工作量小 维修方便 7 体积小 能耗低 1 开关量逻辑控制2 运动控制3 闭环过程控制4 数据处理5 通信联网 PLC的应用领域 8 3PLC的结构特点与工作原理 PLC的技术指标 I O总点数衡量PLC可接入的输入信号和输出信号的数量 开关量用I O最大点数 模拟量则用通道数描述 存储器容量以字或者K字为单位 衡量可以存储用户应用程序的最大空间 一般逻辑操作指令每条1字 定时器 计数器移位操作每条2字 数据操作每条2 4字 编程语言PLC厂家为用户设计的实现各种控制功能的编程工具 常用的有梯形图编程语言 语句表编程语言 还有逻辑图编程语言 布尔代数编程语言等 8 3PLC的结构特点与工作原理 扫描时间执行1000条指令所需要的时间 一般10ms作用 小型机可能大于40ms 内部寄存器的种类和数量体现PLC硬件功能的指标 存放变量状态 中间结果 数据等 提供辅助寄存器 定时器 计数器 移位寄存器 状态寄存器 等 通讯能力PLC与PLC PLC与计算机之间数据传输和交换的能力 实现工厂自动化的基础 一般PLC都配有1 2个通讯端口 智能模块具备自己独立CPU和系统的模块 通常作为PLC中央处理单元的下位机 不参与PLC的循环处理过程 但接受PLC的指挥 独立完成某些特殊操作 比如 位置控制模块 温度控制模块 PID控制模块 模糊控制模块等 8 3PLC的结构特点与工作原理 8 3 2PLC的基本结构 PLC控制系统示意图 8 3PLC的结构特点与工作原理 1 CPU模块CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成 PLC的程序分为操作系统和用户程序 RAM 随机存取存储器 的工作速度高 价格便宜 改写方便 断电后储存的信息丢失 ROM 只读存储器 只能读出 不能写入 断电后储存的信息不会丢失 EEPROM 可以电擦除可编程的只读存储器 的数据可以读出和改写 断电后信息不会丢失 写入数据的时间比RAM长 S7 200用EEPROM来存储用户程序和需要长期保存的重要数据 8 3PLC的结构特点与工作原理 2 I O模块I O模块是输入 Input 模块和输出 Output 模块的简称 输入模块用来采集输入信号 输出模块用来控制外部的负载和执行器 I O模块还有电平转换与隔离的作用 3 编程软件STEP7 Micro WIN用来生成和编辑用户程序 和监控用户程序的运行 4 电源PLC使用AC220V电源或DC24V电源 小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源 8 3PLC的结构特点与工作原理 S7 200 S7 1200和S7 200SMART是西门子的小型PLC S7 300 S7 400和S7 1500是模块式大中型PLC WinAC是在PC上实现PLC功能的 软PLC S7 200的特点功能强 有高速计数 高速输出 PID参数自整定 位置控制 称重 配方 数据记录等功能 先进的程序结构 8 3 3S7 200系列PLC 8 3PLC的结构特点与工作原理 S7 200的特点 灵活方便的存储器结构 大多数存储区可以按位 bit 字节 字和双字读写 功能强大 使用方便的编程软件 简化复杂编程任务的向导功能 强大的通信功能 品种丰富的配套人机界面 Smart700IE的价格便宜 有竞争力的价格 完善的网上技术支持 8 3PLC的结构特点与工作原理 CPU模块有CPU221 222 224 224XP 224XPsi 226 最多扩展7个扩展模块 256点数字量I O或45路模拟量I O 最多24KB程序存储空间和10KB用户数据存储空间 CPU221无扩展功能 256点定时器 256点计数器 集成6个有13种工作模式的高速计数器 以及两点高速脉冲发生器 脉冲宽度调制器 1个或2个模拟电位器 1个或2个RS 485接口 有实时时钟 4点输入中断 2个1 255ms的定时中断 CPU224XP集成了2AI 1AO 2个RS 485通信口 高速输入200kHz 高速输出100kHz 可使用PPI MPI PROFIBUS Modbus USS S7通信协议 和自由端口通信方式 8 3PLC的结构特点与工作原理 数字量输入与数字量输出1 数字量输入电路图中的1M是同一组输入点各内部输入电路的公共点 输入电流为数毫安 外接触点接通时 发光二极管亮 光敏三极管饱和导通 反之发光二极管熄灭 光敏三极管截止 信号经内部电路传送给CPU模块 8 3PLC的结构特点与工作原理 2 数字量输出电路继电器输出电路可以驱动直流负载和交流负载 承受瞬时过电压和过电流的能力较强 动作速度慢 动作次数有限制 场效应管输出电路只能驱动直流负载 反应速度快 寿命长 过载能力稍差 CPU224XPsi具有MOSFET漏型输出 电流从输出端子流入 其他场效应晶体管型输出的CPU都是MOSFET源型输出 电流从输出端子流出 8 3PLC的结构特点与工作原理 数字量扩展模块数字量I O 8DI 16DI 4DO 8DO模块 4 4 8 8 16 16 32 32点的DI DO模块 输入有DC24V和AC230V两种 输出有DC24V和继电器型两种 3 PLC对模拟量的处理模拟量输入模块将模拟量转换为数字量 模拟量输出模块将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流 有12位的4AI 8AI 2AO 4AO 4AI 1AO模块 15位4路 8路热电偶模块 2路 4路热电阻模块 4 模拟量输入模块用模块上的DIP开关设置量程 转换后的12位数据被尽可能地往高位移动 单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0 32000 双极性全量程输入范围对应的数字量输出为 32000 32000 电压输入时输入阻抗 2M 电流输入时输入阻抗为250 8 3PLC的结构特点与工作原理 5 模拟量输出模块满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位 电压输出时负载阻抗最小5k 电流输出时负载阻抗最大500 8 3PLC的结构特点与工作原理 8 3PLC的结构特点与工作原理 1 PLC的操作模式RUN模式执行用户程序 RUN LED亮 STOP模式不执行用户程序 可以下载程序 模式开关在RUN位置时 上电后自动进入RUN模式 PC和PLC之间建立起通信连接后 若模式开关在RUN或TERM位置 可用编程软件中的命令改变CPU的操作模式 2 PLC的扫描工作方式初始化后PLC循环不停地分5个阶段处理各种任务 每次循环的时间称为扫描周期 1 读取输入外部输入电路接通时 对应的过程映像输入寄存器为ON 1状态 梯形图中对应的常开触点闭合 常闭触点断开 反之过程映像输入寄存器为OFF 0状态 8 3 4PLC的工作原理 8 3PLC的结构特点与工作原理 2 执行用户程序如果没有跳转指令 CPU逐条顺序地执行用户程序 执行程序时 对输入 输出的读写通常是通过过程映像输入 输出寄存器 而不是实际的I O点 3 处理通信请求 4 CPU自诊断 5 改写输出梯形图中某一输出位的线圈 通电 对应的过程映像输出寄存器为1 对应的硬件继电器的常开触点闭合 外部负载工作 反之外部负载断电 可用中断程序和立即I O指令提高PLC的响应速度 8 3PLC的结构特点与工作原理 8 3 6PLC的编程语言与特点 8 3PLC的结构特点与工作原理 1 梯形图 LadderDiagram LAD 梯形图语言源自继电器电气原理图 是一种基于梯级的图形符号布尔语言 它通过连线 把PLC指令的梯形图符号连接在一起 以表达所调用PLC指令及其前后顺序关系 用梯形图符号编的PLC程序 很像电气原理图 梯形图中输入信号 触点 与输出信号 线圈 之间的逻辑关系一目了然 较易为电气工作人员理解 它已成为PLC程序设计目前的基本语言 要用图形编程器 或带有图形编程功能的简易编程器 或用个人计算机 并配置相应的编程软件 梯形图程序被划分为若干个网络 一个网络只能有一块独立电路 触点接通时有 能流 PowerFlow 流过线圈 能流 只能从左向右流动 8 3PLC的结构特点与工作原理 2 指令表 InstructionList 西门子叫语句表 STL 语句表程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言 是基于字母符号的一种语言 类似计算机的汇编语言 用拚音文字 可用多国文字 的缩写及数字代表各相应指令 西门子称之为STL语言 绝大多数PLC都使用有这种助记符指令 采用助记符来表示操作功能 具有容易记忆 便于撑握的特点 输入方便快捷 还可以为每一条语句加上注释 便于复杂程序的阅读 在编程器的键盘上采用助记符表示 具有便于操作的特点 可在无计算机的场合进行编程设计 用编程软件可以将语句表与梯形图可以相互转换 8 3PLC的结构特点与工作原理 3 功能块图 FunctionBlockDiagram FBD 一种对应于逻辑电路的图形语言 广泛地用于过程控制 用图形化的方法 以功能模块为单位 描述控制功能 每一功能块的功能 取决于它是什么指令 功能块有输入端 输出端 表达简练 逻辑关系清晰 使控制方案的分析和理解变得容易 特别是控制规模较大 控制关系较复杂的系统 用它可把控制的关系较清楚地表达出来 可简化编程及缩短调试时间 一些含有标准功能的程序 用功能块语言很便于调用 目前 PLC厂家推出一些高功能及高性能的硬件模块的同时 多提供与其有关的功能块程序 这为用户使用这硬件模块及进行编程提供了很大方便 由于每种功能模块需要占用一定的程序内存 功能模块的执行也需要一定的执行时间 因此 这种设计语言多只在在大中型可编程控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用 8 3PLC的结构特点与工作原理 4 顺序功能图 Sequ