简介：本资源是面向嵌入式开发工程师与工业自动化学习者的STM32F4平台FX3U PLC功能移植项目，解决传统三菱FX3U硬件成本高、扩展性受限的问题，支持在高性能ARM Cortex-M4芯片上复现FX3U指令集、I/O控制逻辑及通信协议，适用于PLC教学实验、低成本控制系统原型开发及国产化替代方案验证。压缩包共376个文件，含68个C源码（如ladder.c、stm32f4xx_tim.c等核心模块）、68个头文件（h）、68个编译中间文件（o/d）及调试配置（dbgconf）、工程配置（uvprojx/uvoptx）和固件输出（axf/hex），完整覆盖Keil MDK开发全流程，包体大小13.76MB。已有2871人学习下载，提供可直接编译运行的仿FX3U梯形图逻辑框架、标准外设库驱动封装、RTC/TIM/ADC/CAN等工业常用外设适配代码，以及清晰分层的目录结构与工程配置说明，便于快速理解PLC底层机制并开展二次开发。

1. 这不是PLC仿真器，而是一套可烧录、可调试、可二次开发的FX3U指令级软核实现：用STM32F4跑通完整PLC扫描周期，支持梯形图编译器对接与I/O硬件直驱

某自动化实验室在做国产化PLC教学平台替代时卡在了关键一环：市面常见“FX3U模拟器”全是Windows上跑的黑匣子，无法看寄存器变化、不能打断点、更没法接真实光电开关或继电器。直到他们拆开这个FX3U_F407_V20.4.210322.rar——发现它根本不是模拟器，而是把三菱FX3U的指令集、扫描机制、软元件（X/Y/M/S/T/C/D）全部用C语言在STM32F407上重实现的嵌入式PLC内核。它不依赖任何商业PLC运行时，上电即跑扫描循环，通过标准GPIO映射X0~X17/Y0~Y17，支持MODBUS RTU主从通信，还能把梯形图编译器生成的.stl字节码直接加载执行。适合三类人：高校控制工程课设学生（要交可演示的实物）、中小设备厂工程师（想快速验证新逻辑而不买整台PLC）、以及嵌入式开发者（想研究PLC底层如何把LD转换成状态机）。它解决的不是“能不能跑”，而是“怎么让PLC逻辑真正长在你的MCU里”。

2. 工程结构与技术栈解析：从Keil工程目录到FX3U指令集映射表

2.1 整体架构：三层解耦设计，核心是plc_core独立模块

整个工程基于Keil MDK-ARM v5.36构建，目标芯片为STM32F407VGT6（LQFP100封装），使用HAL库而非标准外设库。项目目录结构清晰体现分层思想：

FX3U_F407_V20.4.210322/ ├── Core/ # 主程序与调度中枢 │ ├── main.c # 系统初始化、主循环调用plc_scan() │ └── plc_main.h # 扫描周期配置宏（如SCAN_TIME_MS=10） ├── plc_core/ # 【核心】FX3U软核实现（无任何HAL依赖） │ ├── plc_exec.c # 指令执行引擎（LD/AND/OR/OUT/LDP等127条指令） │ ├── plc_mem.c # 软元件内存管理（X/Y/M/S/T/C/D区段分配） │ ├── plc_timer.c # 定时器/计数器状态机（T0~T255, C0~C255） │ └── plc_io.c # I/O映射抽象层（将X0→GPIOA_PIN0, Y1→GPIOB_PIN5等） ├── Drivers/ │ ├── STM32F4xx_HAL_Driver/ # 标准HAL驱动 │ └── modbus/ # MODBUS RTU从站协议栈（支持0x01/0x03/0x06/0x10功能码） ├── User/ │ ├── ladder_loader.c # 梯形图字节码加载器（解析.stl文件头+指令流） │ └── debug_uart.c # 串口调试通道（打印扫描时间、软元件快照） └── Inc/ ├── plc_types.h # 自定义类型：PLC_BOOL, PLC_WORD, PLC_DWORD └── fx3u_inst_def.h # FX3U指令码宏定义（INST_OUT=0x01, INST_AND=0x08...）

提示：plc_core/是整个项目的灵魂——它被设计为可移植模块。只要重写plc_io.c中的io_read_bit()和io_write_bit()函数，就能迁移到任何ARM Cortex-M平台，无需动指令执行逻辑。

2.2 关键技术选型依据：为什么是STM32F407而不是ESP32或GD32？

2.3 FX3U指令集在C中的落地方式：以INST_OUT（Y输出指令）为例

plc_exec.c中exec_out()函数是理解整个软核的关键切口。它不直接操作硬件，而是更新plc_mem.c维护的软元件内存池：

// plc_exec.c void exec_out(PLC_INST_T *inst) { uint16_t y_addr = inst->operand; // 指令操作数，如Y0→0, Y1→1... PLC_BOOL value = plc_get_rung_result(); // 获取当前梯级运算结果（TRUE/FALSE） // 关键：不直接写GPIO，而是写入Y区内存池 plc_mem_write_y(y_addr, value); // 后续由plc_io.c中的io_update_outputs()统一刷新硬件 }

// plc_mem.c - Y区内存池定义（与FX3U物理地址对齐） static PLC_BOOL y_mem[256] = {0}; // Y0~Y255，索引即地址 void plc_mem_write_y(uint16_t addr, PLC_BOOL val) { if (addr < 256) { y_mem[addr] = val; } } PLC_BOOL plc_mem_read_y(uint16_t addr) { return (addr < 256) ? y_mem[addr] : FALSE; }

// plc_io.c - 硬件刷新时机严格绑定扫描周期末尾 void io_update_outputs(void) { // 批量读取Y0~Y17（实际硬件只接了18个输出点） uint16_t y_val = 0; for (int i = 0; i < 18; i++) { if (plc_mem_read_y(i)) { y_val |= (1 << i); } } // 一次性写入GPIOB低18位（PB0~PB17） GPIOB->ODR = (GPIOB->ODR & ~0x0003FFFF) | (y_val & 0x0003FFFF); }

逻辑说明：这种“指令→内存→硬件”的三级解耦，完全复刻了真实PLC的扫描机制。plc_get_rung_result()返回的是当前梯级所有触点串联/并联后的最终布尔值，由plc_exec.c中前序指令（LD/AND/OR等）动态维护。参数inst->operand是编译器从梯形图生成的二进制操作数，例如Y10对应值为10。

2.4 梯形图字节码（.stl）加载流程：从文本LD到MCU可执行指令流

该工程不自带梯形图编辑器，但定义了标准字节码格式，供外部编译器（如开源ldc工具）生成.stl文件。加载过程在ladder_loader.c中完成：

// .stl文件结构（小端序） // [4B header: 'STL\0'] [2B step_count] [step_count * 4B instructions] typedef struct { uint8_t inst_code; // FX3U指令码（见fx3u_inst_def.h） uint16_t operand; // 操作数（X0=0, X1=1, ... Y10=10, T0=0, D100=100） uint8_t flags; // 保留位（当前未用） } __attribute__((packed)) STL_STEP_T; bool load_stl_from_flash(uint32_t addr, uint16_t *step_count) { uint8_t header[4]; memcpy(header, (void*)addr, 4); if (memcmp(header, "STL\0", 4) != 0) return false; uint16_t steps; memcpy(&steps, (void*)(addr + 4), 2); *step_count = steps; // 将字节码拷贝到RAM中执行区（plc_core预分配的指令缓冲区） memcpy(plc_inst_buffer, (void*)(addr + 6), steps * sizeof(STL_STEP_T)); return true; }

参数说明：addr是.stl文件在Flash中的起始地址（通常放在0x08010000之后的用户区）；plc_inst_buffer是plc_core模块中声明的全局数组，大小为MAX_STEPS=512。加载后，plc_scan()函数会顺序遍历该缓冲区执行每条指令。

3. 编译与烧录全流程：Keil配置要点与首次上电必检项

3.1 Keil工程关键配置（MDK-ARM v5.36）

• Device选项卡：
  Target → Device → STM32F407VG（注意：不是VGT6，Keil库中VG即代表100pin LQFP封装）
  Clock → HSE=8MHz（外部晶振），PLL_M=8, PLL_N=336, PLL_P=2 → 系统时钟168MHz

• Output选项卡：
  Select Folder for Objects → 设置为.\Objects\（避免中文路径）
  Create HEX File ✅（用于J-Link烧录）

• C/C++选项卡：
  Define → 添加USE_HAL_DRIVER, STM32F407xx
  Optimization → Level 3（-O3），必须勾选 "One ELF Section per Function"（否则链接时plc_exec.o中函数被优化合并，断点失效）

• Debug选项卡：
  Use → ST-Link Debugger
  Settings → Flash Download → Programming Algorithm → STM32F4xx 1024kB Flash（确保勾选）

注意：若使用J-Link，需在Utilities → Settings → Flash Download中手动添加STM32F4xx_1024.FLM算法文件（Keil默认不带，需从SEGGER官网下载）。

3.2 硬件连接与首次上电检查清单

3.3 首次烧录后必做的三件事

1. 用串口助手查看启动日志：
   上电后应看到类似输出：

   [PLC] Init OK, Freq=168MHz, ScanTime=10ms [PLC] Y0-Y17 mapped to GPIOB[0:17] [PLC] Loaded 86 steps from STL @0x08010000 [PLC] Scan#1: 7.8ms, X0=0,Y0=0,T0=0,C0=0

   若卡在Init OK后无后续，检查debug_uart.c中HAL_UART_Init()是否成功（常见于PA2/PA3复用功能未开启）。

2. 用万用表测Y0电平：
   运行空程序（无OUT指令）时Y0应为低电平（0V）；加入LD X0 OUT Y0后，短接X0-GND，Y0应跳变为3.3V。若不变，检查plc_io.c中io_update_outputs()是否被调用（可在该函数首行加HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0)打灯验证）。

3. 用逻辑分析仪抓取扫描周期：
   在plc_scan()函数开头置高PA0，结尾置低，测量高电平宽度即为实际扫描时间。FX3U标称10ms，本工程实测7.2~8.5ms（取决于步数），若超过12ms需检查是否启用了printf（HAL库中printf重定向至UART会严重拖慢）。

4. 常见问题排查：5条血泪经验总结，覆盖90%新手翻车现场

4.1 现象：Keil编译报错Error: L6218E: Undefined symbol plc_mem_read_x

原因：plc_mem.c未被添加到Keil工程中（右键Target → Add Group → Add Existing Files，勾选plc_mem.c）。该文件在plc_core/目录下，但Keil默认不自动包含子目录文件。
解决：在Keil中Project → Options for Target → C/C++ → Include Paths，添加.\plc_core\路径；然后右键Source Group 1 → Add Existing Files to Group，全选plc_core/下所有.c文件。

4.2 现象：串口输出乱码（如[PLC] Init OK, Freq=MHz）

原因：debug_uart.c中huart1.Init.BaudRate设置为115200，但实际晶振频率未正确配置（HAL库默认HSE=25MHz，而本工程用8MHz晶振）。
解决：打开main.c，找到SystemClock_Config()函数，在RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct结构体中修改：

RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1; // 关键！ RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_OFF; // 下方PLL配置保持不变

然后在MX_USART1_UART_Init()中确认huart1.Init.BaudRate = 115200，且huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B。

4.3 现象：X输入信号变化，但plc_mem_read_x(0)始终返回0

原因：plc_io.c中io_read_inputs()函数未被调用，或GPIO初始化错误。常见于MX_GPIO_Init()中未使能对应GPIO时钟。
解决：检查main.c中MX_GPIO_Init()函数，确认X0~X17映射的GPIO端口（如X0=PA0, X1=PA1...X17=PB1）的时钟已开启：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // X0~X7 __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // X8~X17

并在io_read_inputs()中添加调试输出：

uint16_t x_val = GPIOA->IDR & 0x00FF; // 读取PA0~PA7 printf("X0-X7 raw: 0x%02X\r\n", x_val); // 看原始寄存器值

4.4 现象：T0定时器不动作，plc_mem_read_t(0)始终为0

原因：plc_timer.c中定时器中断未使能，或HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1)未调用。
解决：在main.c的MX_TIM1_Init()后添加：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); // 启动TIM1中断

并在stm32f4xx_it.c中确认TIM1_UP_TIM10_IRQHandler已重写：

void TIM1_UP_TIM10_IRQHandler(void) { HAL_TIM_IRQHandler(&htim1); }

同时检查plc_timer.c中HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()是否被正确注册（在MX_TIM1_Init()中htim1.Instance = TIM1且htim1.Init.Period = 16799对应1ms中断）。

4.5 现象：烧录后PLC不运行，J-Link能连但PC端无任何串口输出

原因：Bootloader占用Flash起始地址，用户代码被覆盖。本工程默认从0x08000000开始，但若之前烧过带Bootloader的固件，此处可能被破坏。
解决：用J-Flash ARM擦除整个Flash（Options → Erase Sectors → All Sectors），再重新烧录HEX文件。或者，在Keil中Project → Options for Target → Utilities → Settings → Flash Download → Uncheck "Use Debug Driver"，改用"Use External Tool"调用J-Flash命令行擦除。

5. 核心模块代码深度剖析：plc_exec.c指令执行引擎与扫描周期控制

5.1 扫描周期主干：plc_scan()函数的四阶段精确定义

plc_scan()是整个PLC的灵魂，它严格遵循IEC 61131-3标准的五阶段扫描模型，本工程实现其中最关键的四阶段（省略“通信处理”因MODBUS走独立任务）：

// plc_core/plc_exec.c void plc_scan(void) { static uint32_t scan_start_ms = 0; uint32_t now_ms; // 阶段1：输入采样（硬件→内存） io_read_inputs(); // 更新X区内存池 now_ms = HAL_GetTick(); scan_start_ms = now_ms; // 阶段2：程序执行（内存→内存） for (uint16_t i = 0; i < g_plc_step_count; i++) { PLC_INST_T *inst = &plc_inst_buffer[i]; exec_instruction(inst); // 核心：根据inst_code分发到具体执行函数 } // 阶段3：输出刷新（内存→硬件） io_update_outputs(); // 阶段4：内部处理（定时器/计数器更新） plc_timer_update(); // 检查T/C状态机 plc_counter_update(); // 扫描时间监控（供调试） g_last_scan_time_ms = HAL_GetTick() - scan_start_ms; }

逻辑说明：g_plc_step_count来自.stl加载结果，plc_inst_buffer是字节码指令数组。exec_instruction()是分发函数，内部用switch(inst->inst_code)跳转到exec_out()、exec_and()等具体实现。整个过程在裸机环境下完成，无RTOS参与，靠HAL_GetTick()提供毫秒级基准。

5.2 指令执行核心：exec_and()的上升沿检测实现（LDP指令）

FX3U中LDP X0表示“X0上升沿微分”，即仅在X0由0变1的扫描周期内返回TRUE。这是PLC区别于普通程序的关键特性。plc_exec.c中通过双缓冲实现：

// 全局变量（定义在plc_exec.c顶部） static PLC_BOOL x_prev[256] = {0}; // X区上一扫描周期值缓存 static PLC_BOOL x_curr[256] = {0}; // X区当前扫描周期值（由io_read_inputs()填充） void exec_ldp(PLC_INST_T *inst) { uint16_t x_addr = inst->operand; if (x_addr >= 256) return; PLC_BOOL curr = x_curr[x_addr]; PLC_BOOL prev = x_prev[x_addr]; // 上升沿 = 当前为1 且 上次为0 plc_set_rung_result((curr == TRUE) && (prev == FALSE)); // 更新缓存：当前值成为下次的“上次值” x_prev[x_addr] = curr; }

// io_read_inputs()中同步更新x_curr void io_read_inputs(void) { uint16_t x_val_a = GPIOA->IDR & 0x00FF; // X0~X7 uint16_t x_val_b = GPIOB->IDR & 0x0003; // X8~X9（实际只用2个） for (int i = 0; i < 8; i++) { x_curr[i] = (x_val_a >> i) & 0x01; } for (int i = 0; i < 2; i++) { x_curr[8+i] = (x_val_b >> i) & 0x01; } // X10~X255默认为0（未接线） }

参数说明：x_prev[]和x_curr[]构成一个两帧缓存，exec_ldp()在每次扫描中比较二者差异。plc_set_rung_result()是全局标志位，被所有触点指令（LD/AND/OR）读取和修改，决定当前梯级输出状态。

5.3 定时器状态机：T0~T199的100ms定时器实现（T0 K10 = 1s）

FX3U中T0的设定值K10表示10×100ms=1s。plc_timer.c用TIM1的1ms中断驱动所有定时器：

// plc_timer.c typedef struct { uint16_t preset; // 设定值K（如K10→10） uint16_t current; // 当前值（从preset递减到0） PLC_BOOL enabled; // 是否使能（由LD T0触发） PLC_BOOL done; // 是否完成（current==0） } PLC_TIMER_T; static PLC_TIMER_T t_mem[200]; // T0~T199 void plc_timer_update(void) { for (int i = 0; i < 200; i++) { if (!t_mem[i].enabled) continue; if (t_mem[i].current > 0) { t_mem[i].current--; t_mem[i].done = FALSE; } else { t_mem[i].done = TRUE; } } } // 在exec_ld()中使能定时器 void exec_ld(PLC_INST_T *inst) { if (inst->operand < 200 && inst->operand >= 0) { t_mem[inst->operand].enabled = TRUE; // LD T0 → 使能T0 } }

关键细节：plc_timer_update()在每次plc_scan()末尾调用，因此定时器递减与扫描周期强绑定。若扫描时间不稳定（如超15ms），定时精度会漂移。这也是为什么工程强制要求扫描时间≤10ms。

6. 二次开发实战：从添加新指令到对接国产HMI的完整改造路径

6.1 添加自定义指令：实现MOV D10 D20（字传送）的3步法

FX3U原生支持MOV指令，但本工程V20.4版本尚未实现。我们以添加MOV为例，展示如何扩展指令集：

Step 1：定义指令码与操作数解析
在Inc/fx3u_inst_def.h中追加：

#define INST_MOV 0x2C // 参考FX3U手册，MOV指令码为2Ch

Step 2：编写执行函数
在plc_core/plc_exec.c中添加：

void exec_mov(PLC_INST_T *inst) { uint16_t src_addr = inst->operand; // MOV D10 D20 → operand=D10 uint16_t dst_addr = inst->operand2; // 需扩展PLC_INST_T结构体（见Step 3） if (src_addr < 8192 && dst_addr < 8192) { // D0~D8191 uint16_t src_val = plc_mem_read_d(src_addr); plc_mem_write_d(dst_addr, src_val); } }

Step 3：扩展指令结构体与分发逻辑
修改plc_core/plc_types.h中PLC_INST_T：

typedef struct { uint8_t inst_code; uint16_t operand; // 第一操作数（如D10） uint16_t operand2; // 第二操作数（如D20），仅MOV/ADD等双操作数指令使用 uint8_t flags; } PLC_INST_T;

并在exec_instruction()的switch中添加：

case INST_MOV: exec_mov(inst); break;

验证方法：用外部编译器生成含MOV D10 D20的.stl，烧录后用串口命令dump d10 d20查看值是否同步。

6.2 对接国产HMI：通过MODBUS RTU读写D区寄存器

本工程Drivers/modbus/已实现MODBUS从站，但默认只开放X/Y/M区。要让HMI读写D100~D199，需修改modbus_slave.c：

// 在modbus处理函数modbus_handle_request()中 case 0x03: // 读保持寄存器 if (start_addr >= 100 && start_addr <= 199 && quantity <= 100) { // D100~D199映射到MODBUS寄存器400101~400200 for (int i = 0; i < quantity; i++) { uint16_t val = plc_mem_read_d(start_addr + i); frame->data[i*2] = (val >> 8) & 0xFF; frame->data[i*2+1] = val & 0xFF; } } break; case 0x10: // 写多个保持寄存器 if (start_addr >= 100 && start_addr <= 199 && quantity <= 100) { for (int i = 0; i < quantity; i++) { uint16_t val = (frame->data[i*2] << 8) | frame->data[i*2+1]; plc_mem_write_d(start_addr + i, val); } } break;

HMI配置：在昆仑通态MCGS中，新建MODBUS设备，寄存器类型选“保持寄存器”，地址填400101对应D100，即可双向绑定。

6.3 性能优化技巧：将扫描时间从8.2ms压到6.5ms的3个实操点

1. 关闭未用外设时钟：在main.c的SystemClock_Config()后，添加：

   __HAL_RCC_SDIO_CLK_DISABLE(); __HAL_RCC_SPI2_CLK_DISABLE(); __HAL_RCC_I2C2_CLK_DISABLE();

   （节省约0.3ms）

2. 用位带操作替代plc_mem_read_x()函数调用：
   将plc_mem.c中X区改为位带别名：

   #define X_MEM_BASE (SRAM_BASE + 0x1000) // 预留1KB给X区 #define X_BITBAND(addr, bit) \ (*((volatile uint32_t*)(0x42000000 + ((addr) - SRAM_BASE)*32 + (bit)*4)))

   在exec_ld()中直接：plc_set_rung_result(X_BITBAND(X_MEM_BASE, x_addr));
   （节省函数调用开销，约0.7ms）

3. 将plc_timer_update()内联到plc_scan()末尾：
   删除plc_timer.c中函数声明，直接在plc_scan()中展开循环。避免函数调用+中断上下文切换（节省0.5ms）。

从那以后我每次新增指令，都强制走一遍“定义码→写exec→改结构体→编译→烧录→串口dump验证”闭环，哪怕只是加一条NOP。因为PLC逻辑一旦跑飞，排查成本远高于预防成本——尤其当客户在现场等着看演示的时候。希望帮到你。

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