可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）把自動化技術、計算機技術和通信技術融為一體，按照成熟而有效的繼電控制概念和設計思想，用先進的微控制器技術來實現I/O的實時檢測和控制。由于PLC具有編程簡單、可靠性高、通用性強和使用方便等特點，因此得到廣泛應用。PLC技術已經成為工科院校電工學的必修內容。但PLC的種類很多，發展很快，而指令系統和使用方法又不盡相同，使PLC的教學內容總是滯后于PLC的技術發展。為了改變這種狀況，我們以自帶在系統中編程（ISP）功能的、高性價比的微控制器SM2965為核心，研制了基于ISP功能的可編程序控制器，用于PLC控制實驗。下面介紹PLC的設計思路、硬件構成和軟件設計方法。
一、采用ISP微控制器SM2965設計PLC的思路
為了滿足對嵌入式系統采用高級語言開發的需求，新一代微控制器配置了ISP功能，它是指在用戶設計的微控制器系統中為配置新的系統功能對器件進行重新編程的技術。在PLC中采用具有ISP功能的微控制器，不僅可以在線更新用戶程序，而且還可以在線升級系統程序。使PLC教學能緊跟PLC最新技術發展。
（一）SM2965的特點
SM2965的內核是標準的80C52，但在此基礎上擴展了以下功能：
在系統中編程，編程電壓為+5V；
64k字節快閃存儲器（FLASH E2PROM），ISP功能使FLASH E2PROM可在線編程；
1k字節的RAM空間—256字節的片內RAM和768字節的片內擴展內存（EXRAM）；
可編程的看門狗定時器。
可見，一片SM2965包含了標準的80C32、FLASH、E2PROM（28SF512）、SRAM（靜態數據存儲器）和WDT（看門狗定時器）SM2965是性價比極相當高的“單片”計算機。而其ISP特性使得FLASH E2PROM既可作為程序空間，也可像E2PROM一樣保存數據。以其為核心設計的PLC具有成本低、體積小、擴展方便及使用靈活等優點。
（二）由微控制器組成PLC的思路
以微控制器為核心設計PLC，其硬件組成與微控制器測控系統基本相同。但在微控制器測控系統中，“測”和“控”的過程在時間上是串行關系。而PLC是按循環掃描方式進行工作的，每個掃描周期包括輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個階段，采用集中輸入、集中輸出并行關系的工作方式。若像微控制器測控系統一樣，對PLC梯形圖程序行依次實時采集輸入端子狀態，進行處理后實時輸出，達不到PLC的控制效果。為此，在RAM區設置輸入緩沖作為輸入映像寄存器，采用一次性讀入全部輸入端子狀態，并將其存入輸入緩沖區，然后，按照梯形圖程序行的邏輯關系，從輸入緩沖區讀取相應輸入端子狀態，運算處理后將待輸出的結果存入輸出緩沖區—元件映像寄存器。最后，當梯形圖程序行全部執行完畢，一次性將輸出緩沖區的值輸出到相應的輸出端子，經過上述三個階段，完成一個程序掃描周期。如此往復，自動進行下一輪的掃描。這樣將串行程序工作和并行工業控制系統兩種關系協調起來。雖然存在輸入/輸出滯后現象，但微控制器執行一條指令的時間是微秒級，執行一個掃描周期的時間為幾毫秒，最大為幾十毫秒。相對于電器的動作時間而言，掃描周期是短暫的，可以認為在一個掃描周期內輸入端子的狀態是不變的，對其狀態變化的采集和處理也是實時的，從而滿足了實時控制的要求。
二、硬件配置及系統資源分析
系統硬件配置以微控制器SM2965為核心，如圖1所示。
該微控制器有64k字節的FLASH存儲器和1k字節的RAM，不必擴展外部存儲器，其接口P0～P3全部可作為I/O使用。輸入端子經光電隔離后連到P0口的8個腳。用于開關量的輸入。開關接通時，相應引腳為“1”，開關斷開時，相應引腳為“0”。在輸入采樣階段，MCU（微控制器）讀P0口的狀態，存入輸入緩沖區相當于輸入映像寄存器。P2口作為PLC的輸出鎖存器。在輸出刷新階段，將輸出緩沖區的內容轉存到P2口鎖存器，P2口8個引腳經光電隔離后直接驅動輸出設備的執行機構。P3口將鍵盤、顯示器和微型打印機等外設與PLC連接，使PLC可脫離主機單獨使用。P1作為I/O擴展接口，當輸入、輸出設備所需I/O點數超過P0和P2所提供的I/O點數時，可由P1口通過I/O擴展單元加以擴展。用P1.6和P1.7口軟件模擬I2C總線接口，帶有I2C總線的I/O接口器件、A/D和D/A轉換器件作為I2C的從器件與此相連后即可增加I/O點數和擴展其他功能。系統配置電平轉換集成電路ICL232，將TTL電平轉換為RS232C電平，可直接與主機相連進行串行通信。SM2965內部自帶可編程看門狗電路，其外部僅用簡單的阻容復位即可。
SM2965片內ROM空間分配如圖2所示，PLC系統程序、中斷控制設置在低地址空間，系統上電復位從0000H地址直接跳轉到PLC系統程序的入口地址，進入PLC監控。下載引導程序位于F000H～FFFFH地址范圍，系統上電復位如檢測到0000H地址的內容為空“#0FFH”，則自動跳轉到下載引導程序的入口地址為F000H，用于升級或更新PLC系統程序。E000H～EFFFH空間固化了若干個PLC控制范例供實驗時參照。
SM2965片內768字節RAM作為PLC的梯形圖緩沖區，將源程序用PLC匯編器匯編成PLC目標代碼文件，并經串行通信口發送到SM2965，由SM2965將其寫入梯形圖緩沖區。系統無須配置編程器。
三、系統軟件組成
系統軟件包括微控制器軟件和PC機集成軟件兩部分。為方便系統維護和升級，微控制器軟件采用C51編寫，對實時性要求較高的部分使用匯編語言編寫。微控制器軟件主要包括下載引導程序、系統主程序、PLC指令分析程序及串行口中斷程序。下載引導程序僅在系統升級時調用。微控制器軟件組成如圖3所示。
PLC程序按輸入采樣、執行梯形圖程序行及輸出刷新三個階段進行周期性的循環掃描，在輸入采樣時，間隔2ms連續三次采集P0口狀態，結果全相同時為有效，即將其存入輸入緩沖區，否則重新采樣，以此提高抗干擾能力。執行梯形圖程序行時依次讀取PLC運行緩沖區數據進行運算，遇到“=”指令時將運算結果存入輸出緩沖區。當MCU從運行緩沖區讀到“MEND”指令的二進制代碼時，表示梯形圖程序結束，然后將輸出緩沖區的內容一次性輸出到P2口，從而完成輸出端子的刷新。
PLC上位機軟件如圖4所示，采用Visual C++6.0編寫，主要由串行通信程序和PLC匯編語言匯編器組成，還包括更新范例、裝載范例、裝載指定實驗、系統實時監控、模擬仿真、系統升級和在線幫助等輔助模塊。寫完梯形圖源程序后，用PLC匯編器將其匯編成目標程序文件（OBJ文件）。選取主菜單裝載指定實驗，再選定相應的OBJ文件，該段目標代碼即被傳送到PLC運行緩沖區。主菜單上的“更新范例”對應于微控制器的“更新指定范例”模塊。調用更新范例和系統升級命令時需要輸入權限密碼。
四、應用實例
某送料小車自動控制系統如圖5所示，STa、STb分別為左行和右行限位開關。小車碰到STa自動停下來裝料，10s后裝料完畢自動開始右行，碰到STb自動停下來卸料，15s后卸料完畢自動往左行，這樣不停地循環工作，直到按下停止按鈕為止。
輸入：
SBF（右行手動按鈕）：I0.0
SBR（左行手動按鈕）：I0.1
SB1（手動停止按鈕）：I0.2
STa（左行限位）：I0.3
STb（右行限位）：I0.4
輸出：
KMF（左行線圈）：Q0.0
KMR（右行線圈）：Q0.1
裝料：Q0.2
卸料：Q0.3
此例屬于一個被控對象（送料小車）的兩種相反的工作狀態（左行和右行），所以基本電路采用雙向控制電路，結合其他控制條件，可以設計出小車控制的梯形圖如圖7所示。
圖7 繼電器梯形圖
五、系統特點
根據PLC的發展，可在線升級部分或全部系統程序；
可通過I2C總線擴展系統功能；
無需配置編程器，使用標準的串行口下載梯形圖程序；
調用ISP功能把梯形圖范例固化到MCU內部FLASH中，具有斷電數據保持特性；
對RAM寫操作把梯形圖實驗寫到MCU內部EXRAM中，EXRAM擦寫次數無限；
在實驗中可參考PLC控制范例；
PLC控制范例可以根據不同專業要求自行配置；
用于實際控制時，只需將該梯形圖程序形成的OBJ文件在線裝載到范例1位置；
系統程序具有梯形圖語句翻譯功能，可外接鍵盤/顯示器，PLC可獨立使用；
通用性強，不局限于某種指令系統，用戶可自行設計匯編器；
成本低，器件主要有SM2965、232電平轉換器、光電耦合器、穩壓塊、接線端子以及幾個電阻和電容。
