Chapter08_其它常用工业控制器简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械电子工程学院,第,8,章 其它常用工业控制器简介,8.1 DSP,的结构特点与工作原理,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.1 DSP,的结构特点与工作原理,8.1.1 DSP,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,8.1 DSP,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，,64KB,I/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。,8.1 DSP,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。8.1 DSP,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。,8.1 DSP,的结构特点与工作原理,8.1.2 TMS320LF2407A,的引脚功能,8.1 DSP,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。,8.1 DSP,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。,8.1.3 TMS320LF2407A,的内部结构,8.1 DSP,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。,8.1 DSP,的结构特点与工作原理,8.1.4 TMS320LF2407A,的存储器和,I/O,空间,8.1 DSP,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。,8.1 DSP,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。,8.1 DSP,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。,8.1 DSP,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。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,ARM,是,A,dvanced,R,ISC,M,achines,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。,8.2.1,ARM,概述,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,8.2.1,ARM,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,。,8.2 ARM,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,8.2 ARM,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,ARM CPU,ARM CPU,数据通路,ARM CPU,控制逻辑,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,ARM CPU,的指令集体系,ISA,（,Instruction Set Architecture,）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,ARM ISA,版本之间的关系如下：,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,项目,ARM7,ARM9,ARM10,ARM11,流水线,(,级,),3,5,6,8,典型频率,MHz,80,150,260,335,功耗,mW,/MHz,0.06,0.19,(+cache),0.5,(+cache),0.4,(+cache),性能,MIPS/MHz,0.97,11,1.3,1.2,架构,冯,诺,伊曼,哈佛,哈佛,哈佛,ARM,处理器（核）比较,8.2 ARM,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,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,8.2.2,ARM,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。,8.2 ARM,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,LDR R0,=Lable+1,BX R0,;,从,Thumb,状态切换到,ARM,状态,LDR R0,=,Lable,BX R0,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,0,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,处理器模式,说明,备注,用户,(,usr,),正常程序执行模式,不能直接切换到其它模式,系统,(sys),运行操作系统的特权任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权,快中断,(,fiq,),支持高速数据传输及通道处理,FIQ,异常响应时进入此模式,中断,(,irq,),用于通用中断处理,IRQ,异常响应时进入此模式,管理,(svc),操作系统保护模式,系统复位和软件中断响应时进入此模式,中止,(,abt,),用于支持虚拟内存和,/,或存储器保护,在,ARM7TDMI,没有大用处,未定义,(und),支持硬件协处理器的软件仿真,未定义指令异常响应时进入此模式,8.2.3 ARM,处理器的运行模式,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,处理器模式,说明,备注,用户,(,usr,),正常程序执行模式,不能直接切换到其它模式,系统,(sys),运行操作系统的特权任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权,快中断,(,fiq,),支持高速数据传输及通道处理,FIQ,异常响应时进入此模式,中断,(,irq,),用于通用中断处理,IRQ,异常响应时进入此模式,管理,(svc),操作系统保护模式,系统复位和软件中断响应时进入此模式,中止,(,abt,),用于支持虚拟内存和,/,或存储器保护,在,ARM7TDMI,没有大用处,未定义,(und),支持硬件协处理器的软件仿真,未定义指令异常响应时进入此模式,8.2.3 ARM,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,。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,处理器模式,说明,备注,用户,(,usr,),正常程序执行模式,不能直接切换到其它模式,系统,(sys),运行操作系统的特权任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权,快中断,(,fiq,),支持高速数据传输及通道处理,FIQ,异常响应时进入此模式,中断,(,irq,),用于通用中断处理,IRQ,异常响应时进入此模式,管理,(svc),操作系统保护模式,系统复位和软件中断响应时进入此模式,中止,(,abt,),用于支持虚拟内存和,/,或存储器保护,在,ARM7TDMI,没有大用处,未定义,(und),支持硬件协处理器的软件仿真,未定义指令异常响应时进入此模式,8.2.3 ARM,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。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,处理器模式,说明,备注,用户,(,usr,),正常程序执行模式,不能直接切换到其它模式,系统,(sys),运行操作系统的特权任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其它模式等特权,快中断,(,fiq,),支持高速数据传输及通道处理,FIQ,异常响应时进入此模式,中断,(,irq,),用于通用中断处理,IRQ,异常响应时进入此模式,管理,(svc),操作系统保护模式,系统复位和软件中断响应时进入此模式,中止,(,abt,),用于支持虚拟内存和,/,或存储器保护,在,ARM7TDMI,没有大用处,未定义,(und),支持硬件协处理器的软件仿真,未定义指令异常响应时进入此模式,8.2.3 ARM,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。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,寄存器类别,寄存器在汇编中的名称,各模式下实际访问的寄存器,用户,系统,管理,中止,未定义,中断,快中断,通用寄存器和程序计数器,R0(a1),R0,R1(a2),R1,R2(a3),R2,R3(a4),R3,R4(v1),R4,R5(v2),R5,R6(v3),R6,R7(v4),R7,R8(v5),R8,R8_fiq,R9(SB,v6),R9,R9_fiq,R10(SL,v7),R10,R10_fiq,R11(FP,v8),R11,R11_fiq,R12(IP),R12,R12_fiq,R13(SP),R13,R13_svc,R13_abt,R13_und,R13_irq,R13_fiq,R14(LR),R14,R14_svc,R14_abt,R14und,R14_irq,R14_fiq,R15(PC),R15,状态寄存器,CPSR,CPSR,SPSR,无,SPSR_svc,SPSR_abt,SPSR_und,SPSR_irq,SPSR_fiq,8.2.4 ARM,状态各模式下的寄存器组织,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,寄存器类别,寄存器在汇编中的名称,各模式下实际访问的寄存器,用户,系统,管理,中止,未定义,中断,快中断,通用寄存器和程序计数器,R0(a1),R0,R1(a2),R1,R2(a3),R2,R3(a4),R3,R4(v1),R4,R5(v2),R5,R6(v3),R6,R7(v4),R7,R8(v5),R8,R8fiq,R9(SB,v6),R9,R9_fiq,R10(SL,v7),R10,R10_fiq,R11(FP,v8),R11,R11_fiq,R12(IP),R12,R12_fiq,R13(SP),R13,R13_svc,R13_abt,R13_und,R13_irq,R13_fiq,R14(LR),R14,R14_svc,R14_abt,R14_und,R14_irq,R14_fiq,R15(PC),R15,状态寄存器,CPSR,CPSR,SPSR,无,SPSR_svc,SPSR_abt,SPSR_und,SPSR_irq,SPSR_fiq,8.2.4 ARM,状态各模式下的寄存器组织,R0R7,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。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,寄存器类别,寄存器在汇编中的名称,各模式下实际访问的寄存器,用户,系统,管理,中止,未定义,中断,快中断,通用寄存器和程序计数器,R0(a1),R0,R1(a2),R1,R2(a3),R2,R3(a4),R3,R4(v1),R4,R5(v2),R5,R6(v3),R6,R7(v4),R7,R8(v5),R8,R8_fiq,R9(SB,v6),R9,R9_fiq,R10(SL,v7),R10,R10_fiq,R11(FP,v8),R11,R11_fiq,R12(IP),R12,R12_fiq,R13(SP),R13,R13_svc,R13_abt,R13_und,R13_irq,R13_fiq,R14(LR),R14,R14_svc,R14_abt,R14_und,R14_irq,R14_fiq,R15(PC),R15,状态寄存器,CPSR,CPSR,SPSR,无,SPSR_svc,SPSR_abt,SPSR_und,SPSR_irq,SPSR_fiq,8.2.4 ARM,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。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,寄存器类别,寄存器在汇编中的名称,各模式下实际访问的寄存器,用户,系统,管理,中止,未定义,中断,快中断,通用寄存器和程序计数器,R0(a1),R0,R1(a2),R1,R2(a3),R2,R3(a4),R3,R4(v1),R4,R5(v2),R5,R6(v3),R6,R7(v4),R7,R8(v5),R8,R8_fiq,R9(SB,v6),R9,R9_fiq,R10(SL,v7),R10,R10_fiq,R11(FP,v8),R11,R11_fiq,R12(IP),R12,R12_fiq,R13(SP),R13,R13_svcR13_abt,R13_und,R13_irq,R13_fiq,R14(LR),R14,R14_svc,R14_abt,R14_und,R14_irq,R14_fiq,R15(PC),R15,状态寄存器,CPSR,CPSR,SPSR,无,SPSR_svc,SPSR_abt,SPSR_und,SPSR_irq,SPSR_fiq,8.2.4 ARM,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）。,8.2 ARM,的结构特点与工作原理,8.2.5 Thumb,状态与,ARM,状态的寄存器映射关系,R8,R9,R10,R11,R12,堆栈指针,(R13),连接寄存器,(R14),程序计数器,(R15),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。,8.2 ARM,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,OS Loader,，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,。,8.2 ARM,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,。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.3.1 PLC,概述,可编程控制器（,Programmable Controller,）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,（,Programmable Logic Controller,），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（,Personal Computer,）的简称混淆，所以,将可编程控制器简称,PLC,。,8.3 PLC,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,8.3 PLC,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。,8.3 PLC,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。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.3.2 PLC,的基本结构,PLC,控制系统示意图,8.3 PLC,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。,）,8.3 PLC,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,STEP 7-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,AC 220V,电源或,DC 24V,电源。小型,PLC,可以为输入电路和外部的电子传感器提供,DC 24V,电源。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,S7-200,、,S7-1200,和,S7-200 SMART,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。,8.3.3 S7-200,系列,PLC,8.3 PLC,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，,Smart 700 IE,的价格便宜。,有竞争力的价格。,完善的网上技术支持。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,CPU,模块,有,CPU 221/222/224/224XP/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。,CPU 221,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。,CPU 224XP,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。,8.3 PLC,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。,8.3 PLC,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。,CPU 224XPsi,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。,8.3 PLC,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,DC 24V,和,AC 230V,两种，输出有,DC 24V,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,。,8.3 PLC,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,5 k,；电流输出时负载阻抗最大,500,。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.3 PLC,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）。,8.3.4 PLC,的工作原理,8.3 PLC,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。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.3.6 PLC,的编程语言与特点,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,1.,梯形图,(Ladder Diagram,，,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”,(Power Flow),流过线圈。“能流”只能从左向右流动。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理2.,指令表,(Instruction List),，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,。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,3,、功能块图,(Function Block Diagram,，,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。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,4,、顺序功能图,(Sequential Function Chart),近年来发展起来的一种编程语言，来源于,Petri,网。由于它具有图形表达方式，能较简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存有的象死锁、不安全等反常现象进行分析和建模，在模型的基础上能直接编程，所以，得到了广泛的应用。,采用顺序功能图的描述程序结构，把程序分成若干“步”（,Step,，,S,每个步可执行若干动作。而“步”间的转换靠其间的“转移”（,Tran,，,T,）的条件实现。至于在“步”中要作什么，在转移中有那些逻辑条件，则可使用其它任何一种语言，如梯形图语言，编程实现。,不仅是一种语言，也提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程,(,如梯形图语言,),。,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,5.,结构文本,(Structured Text),为,IEC 61131-3,标准创建的一种专用的,高级编程语言,。,是基于文本的高级编程语言。它采用一些描述语句，来描述系统中各种变量之间的各种关系，执行所需的操作。,大多数,制造厂商,采用这种语言，与,BASIC,语言、,PASCAL,语言或,C,语言等高级语言相类似。但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。,结构化文本语言要比指令表可读性要强一些。但是,对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法使用,；同时也不太直观。所以，,目前用的还不大普及,。只是个别厂家提供较简易的这类语言。,FlipFlop,（,SI:=,（,%IW3=%MW3,）,R:=,VarIn,）,;,VarOut,:=FlipFlop.Q1;,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,8.3.7 S7-200,的程序结构,S7-200,系列,PLC,的程序由三部分组成：,用户程序,+,数据块,+,参数块,用户程序是必选项，可以管理其他块。,用户程序由三个基本元素构成：,主程序,+,子程序（可选）,+,中断程序（可选）,8.3 PLC,的结构特点与工作原理,主程序,子程序,1,子程序,m,中断程序,1,中断程序,n,程序结构图,中断程序：,中断程序是指令的一个可选集合，中断程序不是被主程序调用，它们在中断事件发生时由,PLC,的操作系统调用。中断程序用来处理预先规定的中断事件，应为不能预指中断事件何时发生，因此不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。,主程序：,主程序是程序的主体，每个项目都必须有并只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。主程序控制整个程序的执行，每次,