从零构建软PLC：基于STM32CubeMX的工业控制开发实战
你有没有遇到过这样的场景？客户要一个小型自动化控制器，功能不复杂，但商用PLC太贵、体积太大、还不能定制逻辑。这时候，如果能用一颗STM32芯片自己“造”一个PLC，是不是既省钱又灵活？
这正是我们今天要做的事——用STM32CubeMX + HAL库，从头搭建一个具备完整扫描机制的软PLC系统。整个过程不需要手写一句寄存器配置代码，也不需要啃完上千页参考手册，只需要会点C语言基础，就能快速上手。
为什么选择STM32做PLC？
传统PLC确实稳定可靠，但它本质上是个“黑盒子”：你想改点逻辑？得用专用软件；想加个通信协议？看厂商支不支持；想降低成本？基本没戏。
而STM32不一样。它是一块通用MCU，你可以完全掌控它的每一个引脚、每一行代码。更重要的是：
- 成本低：主控芯片十几块钱搞定；
- 灵活性高：逻辑可编程、接口可扩展；
- 生态成熟：ST官方工具链+丰富的开源资源；
- 性能足够：Cortex-M4内核跑10ms级扫描周期绰绰有余。
再加上STM32CubeMX这个“神器”，连时钟树都能自动算好，简直是为工业控制量身定做的开发起点。
第一步：用STM32CubeMX搭出PLC的“骨架”
我们要做的不是简单点灯，而是一个真正意义上的软PLC运行框架。核心任务包括：
- 精确的周期性扫描（Scan Cycle）
- 数字量输入/输出管理
- 定时中断触发
- 可扩展的用户逻辑区
芯片选型与资源配置
假设我们选用STM32F407VG—— 这款芯片在工控领域非常常见，主频168MHz，144个IO口，定时器、串口一应俱全。
在STM32CubeMX中设置以下关键资源：
| 功能模块 | 配置说明 |
|---|---|
| 系统时钟 | 外部8MHz晶振 → PLL倍频至168MHz |
| DI输入 | PA0~PA7 设置为输入模式，带上拉 |
| DO输出 | PB0~PB7 设置为推挽输出，初始低电平 |
| 扫描定时器 | TIM2，中断周期10ms |
| 调试串口 | USART1，波特率115200，用于后期Modbus通信 |
打开STM32CubeMX后，这些配置全都可以通过鼠标点击完成。比如引脚分配，直接在图形界面上拖拽功能就行；时钟树会实时显示当前频率是否合规；一旦某个引脚被重复使用，工具立刻报错提醒。
小贴士：别小看这个“可视化配置”。我曾经见过工程师因为忘了关闭JTAG导致PA15无法当普通IO用，调试三天才发现问题。STM32CubeMX能帮你避开90%这类低级错误。
生成代码前，记得选择HAL库并导出为STM32CubeIDE 工程（也兼容Keil和IAR）。点击“Generate Code”，几秒钟后，一个完整的初始化工程就 ready 了。
第二步：理解生成的代码结构
打开main.c，你会发现几个关键函数已经自动生成：
int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); // 168MHz系统时钟 MX_GPIO_Init(); // 所有GPIO初始化 MX_TIM2_Init(); // 定时器2初始化 MX_USART1_UART_Init(); // 串口1初始化 HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动TIM2中断 while (1) { PLC_MainLoop_Scan(); // 执行一次PLC扫描 } }看到这里你应该有点感觉了：这就是一个标准PLC的执行节奏！
HAL_Init()和SystemClock_Config()是系统地基；- 外设初始化由CubeMX生成，保证不出错；
HAL_TIM_Base_Start_IT()开启了时间基准；- 主循环里不断调用
PLC_MainLoop_Scan()—— 这就是我们的“OB1块”。
第三步：实现PLC的核心扫描机制
真正的PLC工作流程分为三个阶段：
- 输入采样（Input Sampling）
- 逻辑运算（Logic Evaluation）
- 输出刷新（Output Refresh）
我们来一步步实现。
1. 输入采样：把物理信号搬进内存
所有DI信号先读入一个“输入映像表”，避免在逻辑执行过程中因外部干扰导致状态跳变。
#define DI_CHANNEL_COUNT 8 uint8_t input_image[DI_CHANNEL_COUNT]; // 输入映像区 void Input_Sampling(void) { for (int i = 0; i < DI_CHANNEL_COUNT; i++) { GPIO_PinState state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0 << i); input_image[i] = (state == GPIO_PIN_SET) ? 1 : 0; } }这样后续逻辑处理就基于这张“快照”进行，确保一致性。
2. 逻辑运算：你的控制策略在这里体现
这部分是PLC的灵魂。你可以写布尔表达式、状态机，甚至将来接入梯形图解释器。
举个简单例子：实现一个带延时的启动控制。
static uint32_t start_timer_ms = 0; static uint8_t motor_running = 0; void Logic_Evaluation(void) { uint8_t start_btn = input_image[0]; // PA0：启动按钮 uint8_t stop_btn = input_image[1]; // PA1：停止按钮 if (start_btn && !stop_btn) { if (!motor_running) { start_timer_ms = HAL_GetTick(); // 记录开始时间 } if ((HAL_GetTick() - start_timer_ms) >= 2000) { // 延时2秒 motor_running = 1; } } else if (stop_btn) { motor_running = 0; } // 更新输出映像 output_image[0] = motor_running; }未来你可以把这个函数替换成从Flash加载的梯形图字节码解释器，那就更接近真正的PLC了。
3. 输出刷新：把结果写回硬件
最后一步，将计算好的输出值写到实际引脚。
#define DO_CHANNEL_COUNT 8 uint8_t output_image[DO_CHANNEL_COUNT]; void Output_Refresh(void) { for (int i = 0; i < DO_CHANNEL_COUNT; i++) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0 << i, (output_image[i] ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET)); } }关键设计：如何保证扫描周期的稳定性？
很多人以为PLC就是主循环里不停地跑逻辑，其实不然。真正的PLC必须有一个精确的时间基准。
我们用了TIM2定时器中断来解决这个问题。
配置定时器（10ms中断）
在STM32CubeMX中配置TIM2如下：
- 时钟源：APB1（84MHz）
- 预分频器PSC：8399 → 得到10kHz计数频率
- 自动重载ARR：99 → 溢出周期 = (99+1)/10000 = 10ms
生成的初始化代码会自动填好这些参数。
中断回调中只做一件事：打标记
千万不要在中断里执行复杂的逻辑！我们只设置一个标志位：
volatile uint8_t plcsync_tick_flag = 0; void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM2) { plcsync_tick_flag = 1; // 标记：可以执行下一轮扫描 } }然后在主循环中轮询这个标志：
while (1) { if (plcsync_tick_flag) { plcsync_tick_flag = 0; PLC_MainLoop_Scan(); // 执行完整扫描 } Background_Task(); // 其他低优先级任务（日志、通信等） }这种“中断标记 + 主循环响应”的模式，既能保证时间精度，又能避免中断占用太久CPU。
实时性优化：什么时候该用LL库？
HAL库虽然方便，但函数调用层级多，执行时间不稳定。对于高速场合（比如100kHz脉冲捕获），建议切换到LL库（Low-Layer）。
例如，读取一个输入：
// HAL方式（较慢） state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0); // LL方式（更快） state = LL_GPIO_IsInputPinSet(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0);LL库直接操作寄存器，没有初始化检查、参数校验等开销，适合放在中断服务程序或高频循环中。
经验法则：
- 普通DI/DO、串口通信 → 用HAL，开发快
- 高速计数、PWM生成、紧急停机 → 用LL，响应快
两者可以共存，无需二选一。
工程进阶：让软PLC更像工业产品
你现在有了一个能跑的基本框架，接下来可以逐步增强它的“工业气质”。
✅ 加上看门狗防死机
配置独立看门狗（IWDG）：
// 在main开始处启用 MX_IWDG_Init(); // CubeMX生成 // 在主循环末尾喂狗 HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);哪怕程序卡住，也能自动复位恢复。
✅ 引入FreeRTOS做多任务调度
如果你的逻辑越来越复杂，可以把不同功能拆成任务：
- Task_HighSpeed：处理高速I/O（1ms周期）
- Task_PLCLoop：执行主扫描（10ms周期）
- Task_Communication：处理Modbus请求（自由运行）
CubeMX可以直接添加FreeRTOS中间件，一键生成任务框架。
✅ 支持Modbus RTU通信
通过USART1接RS485模块，实现与HMI或上位机交互。
// 接收采用中断+DMA HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, modbus_rx_buf, RX_BUF_SIZE); // 解析报文可在主循环或单独任务中完成 Modbus_Slave_Poll();只需几百行代码，就能让你的软PLC接入主流工控网络。
✅ 数据持久化与安全存储
用户逻辑、参数设置不能掉电丢失。可以用内部Flash模拟EEPROM，或者外挂AT24C系列EEPROM。
记得加上CRC校验，防止数据损坏。
实战避坑指南：老司机才知道的事
我在多个项目中踩过的坑，现在免费送给你：
❌ 坑点1：PA15默认是JTDI，不能当普通IO用！
除非你在选项字节中禁用JTAG，否则PA15始终被占用。CubeMX会提示，但新手常忽略。
✅秘籍：在System Core → SYS中，把Debug Port改为 “Serial Wire” 或 “Disable”。
❌ 坑点2：定时器中断不进？
检查NVIC设置！CubeMX里不仅要开启定时器中断，还要勾选“Enabled”并设置优先级。
❌ 坑点3：串口接收丢数据？
用HAL_UART_Receive_IT()容易漏帧。推荐改用DMA + 空闲中断方案，效率更高。
❌ 坑点4：扫描周期忽长忽短？
别在主循环里放阻塞操作！比如printf()打印太多会导致延迟。要用非阻塞方式异步输出。
结语：下一个PLC可能就是你写的
你看，从创建工程到跑通第一个扫描周期，其实只需要几个小时。STM32CubeMX帮你解决了最繁琐的底层配置，HAL库提供了统一接口，剩下的就是专注你的控制逻辑。
这套方案已经在不少实际项目中落地：
- 小型包装机控制器
- 智能配电箱远程IO模块
- 教学实验平台中的PLC仿真器
- 定制化边缘网关的本地决策单元
随着STM32H7等高性能芯片普及，未来甚至可以跑OPC UA、支持TSN时间敏感网络，真正进入高端工控行列。
所以，下次当你面对“能不能做个便宜又好用的控制器”这种问题时，不妨试试这条路：用STM32，自己造个PLC。
如果你正在做类似项目，欢迎留言交流。我可以分享更多关于梯形图解释器、在线修改逻辑、固件升级的实战经验。
