使用PLC作為復(fù)雜自動精密儀器的核心計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法

　　摘要：單片機(jī)單板機(jī)自上世紀(jì)70年代問世至今，一直是各類儀器的控制核心，其自身性能也在不斷提高，由此帶來的儀器設(shè)計(jì)水平的提高不言而喻。同時(shí)，單片機(jī)單板機(jī)的開發(fā)應(yīng)用隨之也更加專業(yè)化。上世紀(jì)80-90年代Z80，C51，M6800等8位機(jī)的軟硬件開發(fā)就已須要專門訓(xùn)練，近年來16位以上CPU的開發(fā)已遠(yuǎn)非以前八位機(jī)簡單易行。 　　本文探究了一種簡捷易行的儀器開發(fā)方法，在開發(fā)過程中避免了繁厄的嵌入式芯片的軟硬件開發(fā)。因此不但簡化了開發(fā)過程，縮短了開發(fā)時(shí)間，減少開發(fā)成本，同時(shí)也降低了開發(fā)專業(yè)技術(shù)門限。本文以一種復(fù)雜的自動精密分析儀器-生化分析儀為例，對使用國產(chǎn)HOLLiAS LM 小型PLC為核心的設(shè)計(jì)開發(fā)方案進(jìn)行詳細(xì)探討。在提出這個(gè)技術(shù)設(shè)想之前，從設(shè)計(jì)方法學(xué)，技術(shù)可行性以及性能價(jià)格比幾方面對此技術(shù)設(shè)想的合理性進(jìn)行透視。在充分理解了技術(shù)設(shè)想的可操作性之后，再對具體實(shí)施的細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)全面的描述。 　　一、傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)過程回顧 　　現(xiàn)代化的自動儀器設(shè)備均具有如下幾方面的性能和特點(diǎn) 　　前端的信號檢測，適時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)其功能的光機(jī)電一體化的自動裝置，以及人機(jī)操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機(jī)的控制程序軟件包。為實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)方面的性能，以高性能的微處理器為基礎(chǔ)的嵌入式單板機(jī)就似乎成為迄今儀器設(shè)計(jì)的唯一選擇。 　　從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)制造工作就進(jìn)入議事日程。這項(xiàng)工作是非常專業(yè)和浩繁的，比較小的公司不可能儲備如此多的專業(yè)技術(shù)人員，所以靠自身的技術(shù)力量是無法完成的。為此就必須支付高昂的設(shè)計(jì)開發(fā)費(fèi)用，而且，整機(jī)軟硬件及外部設(shè)備的聯(lián)調(diào)也需要大量的時(shí)間以及返工和重新設(shè)計(jì)。同樣，大公司也并非不存在類似問題。特別是在新技術(shù)新方法摸索創(chuàng)新的樣機(jī)試制階段。 　　二、新設(shè)計(jì)方案的提出和可行性分析與單板機(jī)方案比較 　　所謂的新方案的概念源于個(gè)人的專業(yè)技術(shù)經(jīng)歷和接觸不同的技術(shù)領(lǐng)域，筆者分別從事過精密儀器設(shè)計(jì)和工業(yè)自動化領(lǐng)域的工作，PLC技術(shù)，特別是國產(chǎn)HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能給我一個(gè)在精密儀器設(shè)計(jì)方案上重新審視的技術(shù)空間。 　　從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度來看待設(shè)計(jì)問題，全世界沒有誰規(guī)定自動儀器一定要以單板機(jī)為核心，只要能夠?qū)崿F(xiàn)傾向用戶使用要求　　的儀器設(shè)計(jì)就是成功的產(chǎn)品，換句話說用戶和使用者不關(guān)心儀器的設(shè)計(jì)過程和內(nèi)部構(gòu)造，他們只關(guān)心儀器的性能價(jià)格比。而作為設(shè)計(jì)人員，我們所要考慮的是所有可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的設(shè)計(jì)方案和手段以及技術(shù)途徑，這樣較為符合設(shè)計(jì)方法學(xué)的思想方法和設(shè)計(jì)規(guī)程。 　　考慮技術(shù)可行性，先來看一下電子控制的硬件要求，一般地，系統(tǒng)需要有高性能的CPU，一定數(shù)量的內(nèi)存，DI，DO，AI，AO，與人機(jī)界面的通訊端口，以及根據(jù)具體運(yùn)行要求所編制的程序。這些工作對一個(gè)單板機(jī)或DSP系統(tǒng)來說，無異于編制一套專用小型操作系統(tǒng)。在硬件上甚至往往需要設(shè)計(jì)單板機(jī)或DSP的PCB板，在SMT技術(shù)的今天設(shè)計(jì)完善這樣的系統(tǒng)也非易事，調(diào)試的問題不用說，甚至一兩個(gè)DI的擴(kuò)展，都需要重新設(shè)計(jì)改動PCB板。 　　再看一下PLC的性能，PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫。對有工業(yè)自動化控制經(jīng)驗(yàn)的人來說，一點(diǎn)也不陌生，但對于那些僅從事儀器設(shè)計(jì)的人來說，也許不甚了解或者從未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相當(dāng)規(guī)模的內(nèi)存，可任意擴(kuò)展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率為16 BIT 以上，其DO接口可以直接驅(qū)動1A電流的功率器件或繼電器, 因此PLC在硬件上完全可以代替單板機(jī)。 　　再從軟件編程和運(yùn)行的方面比較，單板機(jī)或DSP，即使借助于C語言或其他專門的開發(fā)環(huán)境，其工作也是相當(dāng)厄繁的，而且不使用匯編語言，指令對硬件的直觀控制效果不易觀察，調(diào)試?yán)щy。對于儀器控制的特殊應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)子程序調(diào)用比較多，在線調(diào)試?yán)щy。而對于PLC來說，其自身的功能塊，指令組，就此類系統(tǒng)控制應(yīng)用而言，比C語言完備得多，如各種微電機(jī)控制，定時(shí)，記數(shù)，脈寬調(diào)制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運(yùn)行時(shí)是實(shí)時(shí)重復(fù)掃描，可以根據(jù)邏輯計(jì)算結(jié)果的要求實(shí)時(shí)任意取舍子程序或功能塊的運(yùn)行，對于一個(gè)接近120K內(nèi)存的較長程序,一次掃描僅需幾十毫秒,就絕大多數(shù)應(yīng)用而言,速度足夠快。就編程而言，PLC的指令系統(tǒng)容易學(xué)，容易使用，調(diào)試方便。PLC 較之嵌入式的程序，具有更好的可讀性和易讀性，它可以使得更多公司和更多工程技術(shù)人員從事開發(fā)工作. 　　考察性能價(jià)格比，顯然在開發(fā)階段，PLC的成本很低，它是工控市場化批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，開發(fā)人員不需要設(shè)計(jì)建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要設(shè)計(jì)少量外圍專用電路，軟件環(huán)境也容易在PC上設(shè)置，經(jīng)常是PLC廠家免費(fèi)提供的。在生產(chǎn)階段，PLC與單板機(jī)的成本相差不懸殊，除非有類似家用電器的批量否則PLC在整機(jī)中所占比例很小，很顯然，儀器與批量家電無可比性。況且PLC較單板機(jī)的用戶面寬，產(chǎn)品成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，從而在生產(chǎn)訂購上也節(jié)省多方面的資源。 　　綜上所述，PLC的功能和實(shí)時(shí)運(yùn)行能力以及系統(tǒng)開發(fā)的簡易性超過一般意義上的單板機(jī)。甚至具備單板機(jī)所不具備的實(shí)時(shí)在線性能。因此，從理論到實(shí)踐上看PLC作為儀器核心都是具有更多優(yōu)越性。 　　三、設(shè)計(jì)過程詳實(shí)（以自動生化分析儀為例） 　　自動生化分析儀是用于醫(yī)院臨床檢驗(yàn)血液生化指標(biāo)的復(fù)雜儀器，在分析類儀器中，它的復(fù)雜程度是最高的。 　　生化分析儀的基本功能是按照各自不同的生化方法要求設(shè)定測試參數(shù)，然后自動機(jī)構(gòu)取樣并按照設(shè)定對各樣品及同一樣品的　　不同測試加入所需的試劑，按所需特定比例進(jìn)行稀釋。進(jìn)而分別注入比色杯對反應(yīng)液進(jìn)行保溫和延時(shí)（經(jīng)稀釋后的樣品稱為反應(yīng)液），下一步對反應(yīng)液按照所需編排好的測試方法和時(shí)間進(jìn)行測試，最后計(jì)算并儲存和打印測試結(jié)果。 　　儀器的具體構(gòu)造此不贅述。 　　從而得到生化分析儀對電子系統(tǒng)的軟硬件要求,并據(jù)此選擇PLC的軟硬件配置。 　　1) 硬件要求 　　120K程序內(nèi)存 　　3 AI輸入 　　24 DI輸入 　　16 DO輸出，包括2 -PTO，1-PWM輸出 　　2 AO 輸出 　　RS232（及485）串行口 　　如有必要可以選擇2個(gè)或更多PLC CPU模塊聯(lián)合控制。 　　2) 軟件功能及內(nèi)部函數(shù)要求 　　輸入高速記數(shù)， 　　高速脈沖輸出， 　　步進(jìn)電機(jī)脈沖控制模塊 　　PID 控制功能塊 　　自由通訊功能塊 　　基于ST文本的數(shù)據(jù)處理子程序 　　多種邏輯和計(jì)算結(jié)果判斷指令。 　　3) 總控制程序，自動機(jī)構(gòu)微電機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)計(jì)算處理軟硬件安排 　　儀器的PLC控制軟件由主控制程序，初始化復(fù)位子程序，自動機(jī)構(gòu)動作算法子程序，自動機(jī)構(gòu)運(yùn)動執(zhí)行子程序，數(shù)據(jù)讀取控制子程序，及數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序組成。 　　主控制程序完成各子程序的選擇執(zhí)行以及與人機(jī)界面的通訊，為梯形圖程序。 　　初始化復(fù)位子程序完成自動機(jī)構(gòu)的回位和數(shù)據(jù)初始化，為梯形圖程序。 　　自動機(jī)構(gòu)動作算法子程序完成安排自動機(jī)構(gòu)的動作順序判斷，為梯形圖程序。 　　自動機(jī)構(gòu)運(yùn)動執(zhí)行子程序驅(qū)動自動機(jī)構(gòu)完成要求的動作，為梯形圖程序。 　　數(shù)據(jù)讀取控制子程序執(zhí)行檢測數(shù)據(jù)的讀取和機(jī)構(gòu)為讀取數(shù)據(jù)的配合動作，為梯形圖程序。 　　數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序完成生化分析所需的分析計(jì)算，由ST語言編寫子程序。 　　4) 硬件的安排 　　自動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和控制(包括比色用不同波長光源的自動選擇轉(zhuǎn)換)由高速脈沖輸出端口配合普通DO端口選擇控制多個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動定位由 DI，高速DI以及AI接受運(yùn)動和位置反饋信號用以控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 恒溫槽的溫度由AI接收溫度傳感器，經(jīng)PLC的PID結(jié)合脈寬調(diào)制驅(qū)動電熱元件實(shí)現(xiàn)。控制精度最高可達(dá)?0.05?C，典型值達(dá)到?0.1?C。 　　數(shù)據(jù)的讀入由前端對數(shù)運(yùn)算放大器（LOG100）接入AI實(shí)現(xiàn)。由于PLC可設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)。所以數(shù)據(jù)采集完全可以保持所需的精度要求。 　　PLC與人機(jī)界面的通訊由PLC的RS232串行口實(shí)現(xiàn)，可以采用PLC自身的MODBUS協(xié)議，也可以采用PLC提供的自由協(xié)議功能塊，這樣編程更方便。本系統(tǒng)采用自由通訊協(xié)議。 　　四、結(jié)論和展望 　　到節(jié)稿時(shí)儀器已基本可以運(yùn)行。性價(jià)比好的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品以及設(shè)計(jì)方法，只有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)才能證明其優(yōu)劣，以往PLC 從未用作精密儀器控制的核心主要有以下幾點(diǎn)原因 　　設(shè)計(jì)人員沒有掌握PLC 技術(shù)， 　　PLC的售價(jià)比較高， 　　幾年前的小型PLC的軟硬件性能還不能支持復(fù)雜儀器的控制要求。 　　近年來工控市場上新的PLC品牌不乏高性價(jià)比的小型PLC，使其設(shè)想成為可能。而且，儀器設(shè)計(jì)者如果更多采用PLC產(chǎn)品，必將促使PLC制造商不斷提高PLC的性能，以及向單板機(jī)容合，那<< span="">