原标题：基于C8051F040单片机+STC62WV1024+CR1230的PLC输入输出接口设计方案

　　以C8051F040单片机为核心的 PLC硬件电路设计，包括掉电保护的外部 RAM、硬件看门狗和对外部扩展的接口电路。

　　本文提出了以C8051F040单片机为核心，充分利用其丰富的片上资源，扩展系统的输入输出功能，以此来设计小型 PLC输入输出接口硬件电路。

　　C8051F040是Cygnal公司推出的C8051F系列之一,与传统的80C51相比有重要技术发展:废除了机器周期的概念,指令以时钟周期为运行单位,提高了指令的运行速度;I/O端口配置灵活,内部输入/输出电路单元可通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口;完善的时钟系统,片内设置有一个可编程的时钟振荡器,可提供2、4、8、16 MHz时钟的编程设定;基于JTAG(JointTest Action Group)接口的在系统调试;多源复位;低功耗模式。C8051F040系列单片机具有标准8051的端口(P0，P1，P2，P3)，在F040/2中有4个额外的8位I/O口(P4，P5，P6，P7)，因此总共有 64个多功能的I/O端口。I/O端口的工作情况与标准8051相似，并作了一些改进。每个端口I/O引脚都可以被设置为漏极开路方式或推挽方式。

　　1C8051F040芯片组在PLC内核电路设计中的原理和功能

　　11基于C8051F040芯片的PLC内部电路采用四层印制板设计，主要由CPU、外部RAM看门狗以及供掉电保护的电池组成。CPU选用高性能的C8051F040。外部RAM选用低保持功耗的128K的SRAM：STC62WV1024。看门狗选用 MAX809RD，在电源电压低于2.7 V时向 SRAM发出锁存信号，禁止写操作。电池选用CR系列扣式锂锰电池(3 V)：CR1230，电池容量为 50 mAh。基于C8051F040芯片的PLC内部电路设计框图如图

　　1.2该系统各管脚的基本功能如下：

　　电源供电：+5 V,200 mA，RAM掉电保护5年。

　　CPU： C8051F040。

　　I/O：分别为P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7，P4.0-4.3的I/O为8个，可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。

　　4个AD：12位精度，100 kPS。2个DA：12位精度，100 kPS。

　　CANBUS：软件内核管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。

　　UART0：软件内核管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。

　　UART1：软件内核管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持第三方设备互连表。

　　1.3 C8051F040芯片组外部引脚定义

　　嵌入式PLC芯片组由两排查针组成，是跟外围电路的接口。引脚定义如表1和表2所示。

　　表1引脚定义A

　　表2引脚定义B

　　2 输入输出口的设计

　　PLC的输入/输出系统是过程状态与参数输入到PLC以及PLC实现控制时控制信号输出的通道。它提供了各种操作电平和驱动的输入/输出接口模板，以实现被控过程与PLC I/O接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。根据他们所实现的功能不同，可将I/O通道分为以下几种：模拟量输入通道(AI)、模拟量输出通道(AO)、开关量输入通道(DI)、开关量输出通道(DO)、脉冲量输入通道(PI)。14点 PLC具有8路开关量输入，6路继电器输出。

　　2.1输入口设计

　　开关量输入通道用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门的起闭状态、各种开关及手动操作按钮的开关状态等。输入信号一般为0-24 V或0-12 V直流电压信号，但是有时也可输入交流电压信号或触点。现场的离散信息通过该输入模块送给CPU处理。数字量输入的最主要问题是隔离问题。尤其是一些开关量输入信号，如隔离不好，较强的电磁干扰就会引入到系统中，影响系统的正常工作。因此在PLC中，数字量的输入都采用光隔离器件，将现场与PLC实现电气上隔离，从而保持系统工作的可靠性。

　　现场输入的数字量大多是开关量。开关量一般是直流信号，个别情况下也有交流信号，我们采用的是直流开关量，图2所示为开关量输入模块图。采用内部12 V直流电源，I/0是输入端子，P3.6为CPU端口。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图中U10是光耦合器 TLP180，发光二极管与光敏二极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时发光，此时光敏晶体管才导通。R1为限流电阻，C1为滤波电容，可滤除输入信号中的高频干扰，R2和R3为分压电阻，因为CPU采用.

　　2.2输出口设计

　　开关量输出通道用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声光报警器等，一般只具有开、关两种状态的设备。根据所用器件的不同，一般有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等多种形式，一般输出0-24 V或0-5 V直流电压信号，有时根据需要也可输出交流电压信号。

　　工业现场很多设备的起停以及生产过程中工作方式的转换，均是由一个位置信号，或者说是“0”或“1”信号控制的。用PLC输出这样的信号时对现场设备进行控制是很容易实现的。为满足现场的要求，PLC提供了多种输出接口，可极大地满足工业现场的各种要求。我们采用的是继电器输出方式，采用继电器隔离。继电器输出模块输出实际上是将PLC内部不同的输出信号转换成输出继电器触点的不同动作。触点闭合对应内部输出信号“1”;触点打开对应内部输出信号“0”。输出继电器既可以带阻性负载，也可带电感性负载。负载电压可以是交流也可以是直流的，其电压也有各种不同范围的。负载电流可以从1 A到几A。继电器输出模块适用于驱动电磁线圈、各种阀门等，是一种用途广泛的输出模块。

　　PLC输出模块图如图3所示。图中二极管和NPN型达林顿管是封装在ULN2003里面的，ULN2003提供了7路达林顿管，用于驱动大电流器件，如LED管、继电器等，最大电流 500 mA，最大集电极电压为30 V。它输入接受TTL电平，输出为开漏输出型，在基极还有27 千欧的限流电阻，同时基极和发射极还有7.2 千欧和3 千欧的分压电阻。ULN2003中的二极管在这里起续流作用，当线圈由导通突然断开时，给电感线圈续流，防止电压突变。74HC04由3.3 V供电，起驱动ULN2003的作用。电阻R5和电容C2吸收外部的高频尖峰，防止对内部电路产生干扰。COM是输出公共端，OUT是输出端。

　　当内部映像输出继电器为1时，端口P1.0输出 0，反向器74HC04输出1，达林顿管导通，继电器吸合，其常开触点闭合，表示输出点接通。反之当内部映像输出继电器为0时，输出点断开。

　　2.4输入输出显示设计

　　输入输出指示灯由CPU判断输入输出口的状态后，直接输出相应的状态，经过74HCT244驱动LED发光二极管，LED需要4 mA就可以显示，用74HCT244就可以满足驱动要求。

　　3结论

　　通过应用C8051F040单片机来设计PLC的输入输出接口电路，能完整实现PLC接口的各项功能，实践证明，其工作性能可靠、使用寿命较长，符合PLC的工作参数要求。

c8051F040

　　Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了8位单片机控制系统的发展方向。

　　基本信息

　　Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了8位单片机控制系统的发展方向。

　　芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。

　　C8051F040是高度集成的混合信号SoC级微控制器芯片，具有与8051单片机兼容的高速CIP-51微控制器内核，除了标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件及其它一些数字外设部件。

　　基本功能

　　(1)增强型8051CPU-CIP-51微控制器

　　C8051F040单片机系统控制器的内核采用CIP-51微控制器，它与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART串行接口、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8个8位宽的I/O端口。

　　(2)速度提升

　　CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时，其峰值性能达到25MIPS。下表列出了指令条数与执行

　　时所需的系统时钟周期数的关系：

　　(3)功能改进

　　C8051F040系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于最终应用。标准8051只有7个中断源，C8051F04x系列MCU通过对内核中断系统的扩展，可向CIP-51提供20个中断源。允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。

　　MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0输入引脚及/RST引脚。/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。

　　(4)其他设备

　　◆控制器局域网(CAN2.0B)控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自的标识符;

　　◆全速、非侵入式的在系统调试接口(片内);

　　◆100 ksps的12位ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;

　　◆允许高电压差分放大器输入到12位ADC(60V峰-峰值)，增益可编程;

　　◆500 ksps的8位ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;

　　◆两个12位DAC，具有可编程数据更新方式;

　　◆64KB的可在系统编程的FLASH存储器;

　　◆4352(4K+256)字节的片内RAM;

　　◆可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口;

　　◆硬件实现的SPI、SMBus/I2C总线接口;

　　◆具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;

　　◆片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

　　(5)可编程数字I/O端口和交叉开关

　　C8051F040中除具有4个标准的8051端口P0、P1、P2、P3外，还附加了4个端口P4、P5、P6、P7。这64个多功能的I/O端口每个引脚都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式，方便用户使用[6]。

　　特性

　　可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。