PLC實(shí)現(xiàn)兩線連接型數(shù)顯儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

目前的PLC系統(tǒng)有時(shí)需借助于專用的人機(jī)界面(HMI)、工業(yè)PC來(lái)顯示過(guò)程變量或設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。HMI和IPC不僅增加了PLC系統(tǒng)的成本，而且無(wú)法適應(yīng)高溫、高濕熱、多粉塵的工作環(huán)境。如果使用PLC系統(tǒng)的I/O直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，則需要占用大量的PLC系統(tǒng)I/O資源。本文采用單片機(jī)和程序控制技術(shù)，通過(guò)特定的傳輸時(shí)序，只需使用PLC系統(tǒng)的2個(gè)I/O點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)其參數(shù)顯示。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　以STC89C51為核心實(shí)現(xiàn)的PLC系統(tǒng)兩線連接型數(shù)顯儀表的硬件組成如圖1所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)、輸入接口、程序下載接口、數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路、按鍵輸入(可選)和報(bào)警輸出(可選)等部分組成。STC89C51和標(biāo)準(zhǔn)80C51保持硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)兼容，提高了時(shí)鐘速率，擴(kuò)充了在系統(tǒng)編程(ISP)、在應(yīng)用編程(IAP)、電源欠壓檢測(cè)與復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位等功能，其I/O口經(jīng)過(guò)了特殊的設(shè)計(jì)，使其在工業(yè)控制環(huán)境中具有極高的可靠性[2]。

　　
圖1 PLC系統(tǒng)兩線連接型數(shù)顯儀表的硬件組成

　　1.1 PLC系統(tǒng)輸入接口

　　PLC系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)輸出點(diǎn)將顯示數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)序傳給數(shù)顯儀表。PLC系統(tǒng)一般有繼電器出、可控硅輸出、晶體管輸出和24V直流電壓輸出等多種形式可供選擇，一般使用其晶體管輸出或24V輸出形式經(jīng)過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路連接數(shù)顯儀表。為了適應(yīng)兩種輸出形式，采用光電耦合器統(tǒng)一將PLC系統(tǒng)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平信號(hào)。如果PLC系統(tǒng)的輸出形式為24VDC，例如西門(mén)子的S7系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側(cè)的連接如圖2所示。如果PLC系統(tǒng)的輸出為晶體管集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路輸出，如三菱的FX系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側(cè)的連接如圖3所示。無(wú)論采用何種連接方式，轉(zhuǎn)換后進(jìn)入STC89C51單片機(jī)的信號(hào)邏輯都與PLC系統(tǒng)的輸出邏輯保持一致。使用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，因?yàn)楦蓴_信號(hào)即使具有較高的電壓幅值，但其能量相對(duì)較小，形成的微弱電流一般不足以使光電耦合器導(dǎo)通[3]。轉(zhuǎn)換后的兩路信號(hào)分別作為數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，連接到單片機(jī)的兩個(gè)外中斷輸入引腳，便于使用中斷方式傳輸顯示數(shù)據(jù)。

　　
圖2 電壓輸出型PLC接口

　　
圖3 晶體管輸出型PLC接口

　　1.2 程序下載接口

　　借助于ISP編程功能，可以通過(guò)RS-232C接口將程序代碼從計(jì)算機(jī)下載到單片機(jī)內(nèi)部的Flash中。程序下載接口一般設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，使用一片MAX232轉(zhuǎn)換芯片即可實(shí)現(xiàn)。

　　1.3 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

　　為了確保數(shù)碼管的顯示亮度，使用兩片74HC245實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。其中一片74HC245用于驅(qū)動(dòng)4位共陰極數(shù)碼管的段碼，其輸入和單片機(jī)的P0口連接，輸出則經(jīng)限流電阻限流后與4位數(shù)碼管的8個(gè)段碼引腳連接。另一片74HC245驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管的位碼，其輸入和單片機(jī)的P1.0～P1.3連接，輸出則分別和4位數(shù)碼管的公共端連接。

　　2 傳輸時(shí)序

　　1臺(tái)數(shù)顯儀表和PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需占用PLC的2個(gè)輸出點(diǎn)，分別用作數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線。由于顯示數(shù)據(jù)的傳輸是串行的，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳輸時(shí)序。構(gòu)建雙方的傳輸時(shí)序時(shí)必須充分考慮PLC系統(tǒng)的工作原理、輸出特性及其差異以及傳輸過(guò)程的可靠性等問(wèn)題。綜合考慮這些因素后所設(shè)計(jì)的傳輸時(shí)序如圖4所示。傳輸1次顯示數(shù)據(jù)總共需要21個(gè)時(shí)鐘周期，其中3個(gè)時(shí)鐘用于同步信號(hào)，16個(gè)時(shí)鐘用于傳輸顯示數(shù)據(jù)的4位BCD碼或特定的提示字符，2個(gè)時(shí)鐘用于傳輸2位表示小數(shù)點(diǎn)顯示位置的信息。顯示數(shù)據(jù)和小數(shù)點(diǎn)位置信息的低位在前，高位在后。例如，圖4表示傳輸?shù)娘@示數(shù)據(jù)為8951，小數(shù)點(diǎn)位置信息為10，表示小數(shù)點(diǎn)在十位之后，因此最終顯示數(shù)據(jù)為895.1。

　　
圖4 數(shù)顯儀表和PLC系統(tǒng)之間的傳輸時(shí)序

　　由于PLC系統(tǒng)基于掃描原理周而復(fù)始地刷新輸入信號(hào)、執(zhí)行用戶程序和輸出運(yùn)行結(jié)果[4]，在一個(gè)掃描周期內(nèi)讓PLC系統(tǒng)的輸出信號(hào)發(fā)生跳變難于實(shí)現(xiàn)，因此圖4的一個(gè)時(shí)鐘周期需要占用PLC系統(tǒng)的兩個(gè)掃描周期。每次傳輸過(guò)程增設(shè)3個(gè)同步脈沖是為了提高傳輸過(guò)程的可靠性，確保PLC系統(tǒng)及其傳輸線路無(wú)論出現(xiàn)何種故障，都可以在故障恢復(fù)后的一個(gè)傳輸周期內(nèi)正確地傳輸顯示數(shù)據(jù)。