基于ARM_Cortex-M4的PLC结构化框架研究_陈占标.pdf

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.2096-4455.2022.12.013 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，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，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：D7160-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Bit10：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，安全与可靠度也得到了极大的提高。将人工智能应用于计算机技术，可以极大地提升电脑的整体实力，同时也可以更好的适应人类的生活。参考文献1 苗芳.人工智能在计算机信息技术中的标准化应用J.品牌与标准化,2022(S1):154-156.2 毛健,赵红东,姚婧婧.人工神经网络的发展及应用J.电子设计工程,2011,19(24):62-65.3 胡炜.人工智能背景下计算机应用专业创新创业人才培养模式研究J.造纸装备及材料,2020,49(4):167-168.4 乔平.计算机人工智能技术在工程地质中的应用J.河北地质学院学报,1996(2):164-168.5 来继敏.基于计算机应用的人工智能农业应用场景J.中国果树,2022(6):119.（上接第63页）2022,40(4):663-671.2 程宏玉,王宜怀,姚望舒,等.面向ARMCortex-M系列MCU的嵌入式终端BIOS设计J.计算机应用与软件,2021,38(5):231-235.3 张建,凌兴宏,王宜怀.面向ARMCortex-M系列内核的汇编工程通用框架设计J.小型微型计算机系统,2021,42(11):2440-2445.4 AlessandriniMichele,BiagettiGiorgio,CrippaPaolo,FalaschettiLaura,ManoniLorenzo,TurchettiClaudio.SingularValueDecompositioninEmbeddedSystemsBasedonARMCortex-MArchitectureJ.Electronics,2020,10(1).5 周金芝,杨明.以ARMCortex-M3为控制核心的蹲便器自动冲水抽纸系统设计J.安庆师范大学学报(自然科学版),2020,26(1):84-88.6 张建,凌兴宏,王宜怀.面向ARMCortex-M系列内核的汇编工程通用框架设计J.小型微型计算机系统,2021,42(11):2440-2445.7 朱传林,王学良,李斐,等.基于ARMCortex-M4F的异端双显式接地电阻测试仪研发J.电子设计工程,2020,28(24):169-173.8 蔡伯峰,王宜怀.ARMCortex-M0+机器码系列文件分析及应用研究J.福州大学学报(自然科学版),2018,46(6):794-798.9 张维通,王润洁,康迂勇,等.基于EMWIN和ARMCortex-M4内核的数字示波器J.电子世界,2018(12):13-15.10杨东轩,张刚刚,刘新亮.基于Cortex-M4内核的AES-128-CTR算法汇编优化J.华东师范大学学报(自然科学版),2022(4):67-78.11蔡伯峰,王宜怀.基于ARMCortex-M0+KL系列MCU的汇编构件设计J.现代电子技术,2018,41(1):38-42.12LiangzhenLai,NaveenSuda,VikasChandra.CMSIS-NN:Efficient Neural NetworkKernelsforArmCortex-MCPUs.J.CoRR,2018,abs/1801.06601.