基于AT89C55單片機的PLC研究

隨著高職教育的迅速發(fā)展，將PLC技術(shù)引進高職教學(xué)并作為一門較為重要的課程，在高職教育中已達成共識，是課程建設(shè)現(xiàn)代化的重要措施。本文在研究 AT89C55單片機后，以該單片機為核心設(shè)計了一個綜合PLC系統(tǒng)，集成了多路開關(guān)量I/O及模擬量輸入，并可以通過RS232/RS485與上位機進行通訊，已經(jīng)作為若干高校的實驗設(shè)備使用，并且，在要求較高的工程項目中也得到了具體的應(yīng)用。

1 PLC的硬件功能設(shè)計

該PLC的設(shè)計思想基于三菱PLC的操作語言，仿照三菱編程器的操作，利用AT89C55單片機作為主控芯片，輔以其它芯片完成相關(guān)功能，其邏輯圖見圖1所示。為了達到教學(xué)目的，在設(shè)計思路上和常規(guī)的PLC有幾個不同點：一是為了使學(xué)生更多地接觸不同的輸出方式并進行相關(guān)的實驗，設(shè)計了兩種輸出形式，即8路繼電器輸出和4路晶體管輸出，而且，繼電器輸出的端子中有四路沒有公共端子，三個端子完全引出，由學(xué)生自由組合，可擴大控制范圍；二是在輸入上，除了16路開關(guān)量輸入外，還設(shè)計了2路模擬量輸入和高速開關(guān)量計數(shù)器輸入；三是源代碼開放，工科院校自控和計算機專業(yè)都開設(shè)單片機課程，由于條件所限，學(xué)生將實踐和學(xué)習(xí)相結(jié)合的機會并不多，鑒于這種情況，將源代碼開放，學(xué)生可以學(xué)習(xí)、補充、修改程序，既完善了PLC程序，又鍛煉了教師和學(xué)生。

在大部分PLC中，例如，三菱[1]、歐姆龍和西門子等，上述功能一般由獨立的模塊來實現(xiàn)。這里將各種功能集成到一個PLC 模塊中，可以降低實驗設(shè)備的成本。在圖1中，為增加學(xué)生對輸出模塊的認識，可控硅模塊可以和繼電器模塊互換，結(jié)構(gòu)只是一個可控硅光耦（例如 MOC3023）驅(qū)動一個雙向可控硅（例如BTA10-600）。

IC卡的目的是當(dāng)學(xué)生使用編程器編程時，用來記錄學(xué)生的程序，有利于程序的修改和調(diào)試以及教師評分，用于實際工程項目中的PLC省略此功能。串行通信接口支持RS232和RS485兩種標(biāo)準(zhǔn)，撥碼開關(guān)給出本機地址，使用RS485接口組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時使用。

2 單片機語言的選擇及系統(tǒng)軟件設(shè)計

一般說來，現(xiàn)在通用的單片機編程語言有匯編語言和C語言，C語言編程方便、易讀，但需要占用較多的內(nèi)存，從而導(dǎo)致執(zhí)行速度變慢。PLC是以循環(huán)掃描程序行的方式來工作的，對實時性要求較高，一個掃描周期一般不大于20ms，這樣，當(dāng)程序較長時，速度就顯得尤為重要了。因此，選擇匯編語言作為PLC的系統(tǒng)設(shè)計語言。

由于PLC語言是面向用戶的，可以支持的語言并不是單片機可識別的，而且要求可以由用戶修改并下載到單片機的程序存儲器中，因此需要一個譯碼模塊，在執(zhí)行中把每一行用戶程序翻譯成機器可識別的子程序或過程。具體實現(xiàn)的方法為：

用戶程序4個字節(jié)為一幀：“XX XX XX XX”，其中第一字節(jié)為命令，例如，OR、 MOV、OUT等；第二字節(jié)為執(zhí)行元件，例如，繼電器、輸入等；第三、四字節(jié)為相關(guān)數(shù)據(jù)，這與不同的命令內(nèi)容相關(guān)，例如，“01 10 00 03”定義為“LD Y 03”，“00 XX XX XX”定義為“NOP”等。但是，數(shù)據(jù)區(qū)不足以表達數(shù)據(jù)，可以有后續(xù)數(shù)據(jù)，也是4字節(jié)為一幀，以FE為第一字節(jié)，例如，“FE XX XX XX”，這樣，就將命令幀和數(shù)據(jù)幀區(qū)分了。用戶程序下載到 EEROM（FM25640），由主程序依序讀出，再交譯碼模塊翻譯后執(zhí)行。

程序中較難實現(xiàn)的是繼電器的上升沿或下降沿檢測。在PLC語言中許多情況是要檢測上升沿或下降沿的，有近千個繼電器，在每個循環(huán)中對所有的繼電器都進行檢測記錄，無論時間或記錄位置（寄存器）都是難以實現(xiàn)的，故開辟了一個存儲區(qū)，專門記錄激活了（即使用中）的繼電器狀態(tài)，在程序運行前，先對繼電器掃描，把激活的繼電器依序登錄，當(dāng)程序運行到該繼電器時就對該繼電器進行當(dāng)前狀態(tài)同前一周期狀態(tài)比較登記，當(dāng)前一次狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)相反時便認為是上升沿（或下降沿）到達。

3 開關(guān)量I/O的軟硬件設(shè)計

開關(guān)量I/O是PLC的重要內(nèi)容，一般來說，為了提高抗干擾能力，輸入與MCU之間是通過光耦隔離的，考慮到成本和盡量減少接口的占用，采用16選1模擬開關(guān)CD4067（U8），4條地址線用4個光耦521-1（U10-13）隔離。

由于受光耦響應(yīng)速度和掃描周期的限制，不允許使用每個周期依序查詢的辦法，故在程序中設(shè)計了一毫秒定時（2）中斷，每毫秒查詢一個接口，同時將接口狀態(tài)映射到BIT 30H-3FH，因此，只需要對BIT30H-3FH查詢，便可知道接口狀態(tài)。中斷程序如下：

ORG 2BH

LJMPINPUT ;每毫秒中斷一次

INPUT:PUSH PSW

PUSH ACC

PUSH DPL

PUSH DPH

MOV C, P1.4

MOV A, 25H

MOV DPTR, #INPUT1

RL A

RL A

JMP @A+DPTR

INPUT1: MOV 30H, C

SJMP INPUT2

MOV 31H, C

SJMP INPUT2

MOV 32H, C

SJMP INPUT2

MOV 33H, C

SJMP INPUT2

MOV 34H, C

SJMP INPUT2

MOV 35H, C

SJMP INPUT2

MOV 36H, C

SJMP INPUT2

MOV 37H, C

SJMP INPUT2

MOV 38H, C

SJMP INPUT2

MOV 39H, C

SJMP INPUT2

MOV 3AH, C

SJMP INPUT2

MOV 3BH, C

SJMP INPUT2

MOV 3CH, C

SJMP INPUT2

MOV 3DH, C

SJMP INPUT2

MOV 3EH, C

SJMP INPUT2

MOV 3FH, C

INPUT2: INC 25H

ANL 25H, #0FH

ANL P1, #0F0H

MOV A, 25H

ORL P1, A

POP DPH

POP DPL

POP ACC

POP PSW

RETI

首先保護PSW、ACC和DPTR，讀入當(dāng)前輸入P1.4至C寄存器。25H是CD4067的地址映像，指向當(dāng)前輸入地址，將當(dāng)前地址乘以4（跳轉(zhuǎn)地址占4個字節(jié)），跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置得到輸入映像，指向下一個輸入地址，然后，恢復(fù)被保護的寄存器，返回。程序代碼長度為103個字節(jié)，執(zhí)行所占用的時間為 0.018毫秒，完全滿足PLC的實時性要求。

輸出分為兩部分，8個繼電器輸出和4個晶體管輸出，由于單片機上電時端口被置位，為了防止出現(xiàn)上電時誤導(dǎo)通，故而選用PNP管8550作為繼電器的驅(qū)動管，使得上電時晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。在軟件上只要對相應(yīng)端口復(fù)位，繼電器動作。

4 PLC的測試與應(yīng)用

利用文獻[2]中的通用多功能計算機監(jiān)控系統(tǒng)測試軟件，在攝氏40℃以上的環(huán)境中對PLC進行測試，采用CRC校驗，每4秒發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，連續(xù)測試48小時，PLC都能夠成功識別數(shù)據(jù)包，并返回正確的結(jié)果，完全能夠滿足實際的工程要求。

內(nèi)蒙第一機械制造集團公司是國有特大型企業(yè)，生產(chǎn)軍用裝備。該公司的液壓件打壓試驗臺，就是采用該PLC進行監(jiān)控的。全部試驗過程通過PLC、數(shù)據(jù)采集卡、工控機等進行控制。試驗過程及結(jié)果通過計算機顯示屏隨時監(jiān)控，并通過打印機打印輸出試驗數(shù)據(jù)。

在北方奔馳重型車輛制造有限公司的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量中，也使用了該PLC。這兩個監(jiān)控系統(tǒng)目前運行可靠。該PLC還批量投入實驗室使用，在高級技工考試中也得到了成功的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點

本文利用AT89C55單片機實現(xiàn)了工業(yè)和教學(xué)使用的PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，并用于實際的工業(yè)控制系統(tǒng)和教學(xué)設(shè)備中，對于替代昂貴的進口PLC和節(jié)省教育經(jīng)費具有重要意義。

作者簡介：王建明(1957-)，男（漢族），內(nèi)蒙古包頭人，包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院副院長，副教授，主要從事計算機監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)研究。E-mail: wjm7591@yahoo.com.cn

Biography: Wang Jianming, male, the Han nationality, born in 1957, deputy headmaster and associate professor of Baotou Vocational Technical College. His main research field is the development of computer monitor system. E-mail: wjm7591@yahoo.com.cn

參考文獻

[1] 沈世斌. 三菱PLC 與PC 機間的通訊應(yīng)用[J], 微計算機信息, 2006,22(4-1):81-83.

[2] 王建明. 智能設(shè)備的通用測試.工業(yè)控制計算機, 2002, 15(12):10-12.