摘 要：PLC 系統(tǒng)是應(yīng)用極其廣泛的工業(yè)自動(dòng)化裝置，但由于沒(méi)有配套的數(shù)顯儀表而無(wú)法顯示其數(shù)據(jù)或參數(shù)。本文給出了只用兩根I/O線連接PLC系統(tǒng)的數(shù)顯儀表實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)介紹了基于STC89C51的硬件組成、時(shí)序設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用方法。該數(shù)顯儀表可以直接和晶體管輸出或電壓輸出形式的各類PLC連接，實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或參數(shù)顯示功能。關(guān)鍵詞：STC89C51;PLC;人機(jī)接口;數(shù)顯儀表;兩線連接
Abstract：PLC system is a automatic equipment widely used in industry control, but it can’t display its data or parameters as it has no corresponding display unit. This paper introduces a scheme of display meter connecting PLC system with only two output point. It illustrates hardware composing based on STC89C51, timing diagram design, software realization and applicable method. This digital display meter may directly connect with a transistor-output or voltage-output PLC system and display its data or parameters.
Keywords：STC89C51;PLC;Human Machine Interface;Digital Display Meter;Two Line Connection
0 引言
可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱PLC（Programmable Logic Controller），具有編程簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中的各類生產(chǎn)過(guò)程[1]。目前的PLC系統(tǒng)多用指示燈來(lái)顯示生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，或借助于專用的人機(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。基于LED的數(shù)顯儀表具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、顯示直觀、醒目等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足某些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊顯示需求。然而，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TTL電平信號(hào)。如果PLC系統(tǒng)的輸出形式為24VDC，例如西門子的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路或漏極開路輸出，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)。
3 軟件設(shè)計(jì)
數(shù)顯儀表的程序由初始化、外中斷0服務(wù)程序、外中斷1服務(wù)程序和定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序4部分組成。T0每隔5ms中斷1次，在其中斷服務(wù)程序中根據(jù)接收到的顯示數(shù)據(jù)及其小數(shù)點(diǎn)位置信息完成4位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。外中斷0服務(wù)程序用于檢測(cè)同步信號(hào)，外中斷1服務(wù)程序用于接收16位顯示數(shù)據(jù)的BCD編碼和2位表示小數(shù)點(diǎn)顯示位置的信息。
3.1 外中斷0服務(wù)程序
外中斷0由數(shù)據(jù)信號(hào)線的下降沿觸發(fā)，在其中斷服務(wù)程序中，如果檢測(cè)到時(shí)鐘線為低電平，則視為同步信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到3個(gè)同步脈沖后，則表明收到了正確的同步信號(hào)，此時(shí)關(guān)閉外中斷0，開啟外中斷1，借助于外中斷1服務(wù)程序接收數(shù)據(jù)。如果在前一次或前兩次中斷服務(wù)程序中已檢測(cè)同步脈沖而本次未檢測(cè)到同步脈沖，則視為無(wú)效同步信號(hào)。外中斷0服務(wù)程序的主要代碼如下：
void Int0_Srvice（void） interrupt 0
｛ p33=1;
if（p33==0） SysClock++; //有效，同步脈沖加1
else SysClock=0; //無(wú)效，同步脈沖清零
if（SysClock==3）
｛ //檢測(cè)到3個(gè)同步脈沖
RecEnable=1; //置允許接收標(biāo)志
EX0=0; //關(guān)閉外中斷0
EX1=1; //開放外中斷1
｝｝
3.2 外中斷1服務(wù)程序
外中斷1由時(shí)鐘信號(hào)線的下降沿觸發(fā)，在其中斷服務(wù)程序中，如果查詢到已建立允許接收標(biāo)志，則接收16位顯示數(shù)據(jù)的BCD碼和2位小數(shù)點(diǎn)位置信息，并將其轉(zhuǎn)換為18位并行數(shù)據(jù)，存于DispData變量中供T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行顯示。由于顯示數(shù)據(jù)和小數(shù)點(diǎn)位置信息都是低位在前，高位在后，所以在程序中使用右移操作實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。小數(shù)點(diǎn)位置信息為0～3時(shí)，表示小數(shù)點(diǎn)分別位于數(shù)碼管的千位、百位、十位和個(gè)位之后。如果小數(shù)點(diǎn)在個(gè)位之后，則不顯示小數(shù)點(diǎn)。當(dāng)接收到18位信息后，則關(guān)閉外中斷1，重新開放外中斷0進(jìn)行下一周期的數(shù)據(jù)傳輸。外中斷1服務(wù)程序的主要代碼如下：
void Int1_Srvice（void） interrupt 2
｛ if（RecEnable==1） //允許接收
｛ p32=1; //檢測(cè)數(shù)據(jù)線電平
if（p32==1） RecData=RecData|0x40000;
RecData=RecData>>1; //實(shí)現(xiàn)串/并轉(zhuǎn)換
DataClock++;
if（DataClock==19） //已接收到18位數(shù)據(jù)
｛ //顯示數(shù)據(jù)存于DispData中
DispData=RecData;RecData=0;
SysClock=0;DataClock=0;
RecDone=1;RecEnable=0;
EX0=1; //開外中斷0
EX1=0; //關(guān)外中斷1
｝｝｝
4 應(yīng)用實(shí)例
利用PLC系統(tǒng)的（n+1）個(gè)輸出點(diǎn)可以連接n臺(tái)數(shù)顯儀表，其中1點(diǎn)用作公共時(shí)鐘線，n點(diǎn)用作n臺(tái)數(shù)顯儀表的數(shù)據(jù)線。使用數(shù)顯儀表顯示PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或參數(shù)時(shí)，還必須給PLC系統(tǒng)編寫滿足時(shí)序要求的驅(qū)動(dòng)程序。
4.1 PLC驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
此處以三菱FX2N PLC系統(tǒng)為例，介紹PLC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法。假設(shè)使用Y0作為數(shù)據(jù)線，Y1作為時(shí)鐘線，則PLC驅(qū)動(dòng)程序的梯形圖如圖5 所示。程序中使用D0單元存放顯示數(shù)據(jù)，其取值范圍為0～9999，D1單元存放小數(shù)點(diǎn)位置信息，其取值范圍為0～3。占用的資源包括計(jì)數(shù)器C0～C1和中間繼電器M100～M131，可以結(jié)合用戶程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
圖5 FX2N PLC顯示驅(qū)動(dòng)程序
4.2 多臺(tái)數(shù)顯儀表與PLC系統(tǒng)的連接
多臺(tái)數(shù)顯儀表與PLC系統(tǒng)的連接如圖6所示，圖中的1臺(tái)FX2N PLC連接了8臺(tái)數(shù)顯儀表，PLC的Y10用作公共時(shí)鐘線，Y0～Y7分別用作8臺(tái)數(shù)顯儀表的數(shù)據(jù)線。PLC系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序和圖5類似。由于多臺(tái)儀表的時(shí)鐘線是公共的，數(shù)據(jù)線是并行輸出的，因此多臺(tái)數(shù)顯儀表的數(shù)據(jù)刷新時(shí)間和其連接的數(shù)量無(wú)關(guān)，可以確保PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性。
5 結(jié)論
該數(shù)顯儀表無(wú)需知曉任何PLC系統(tǒng)的協(xié)議，僅使用PLC系統(tǒng)的n+1個(gè)輸出點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)在n臺(tái)數(shù)顯儀表上顯示其數(shù)據(jù)或參數(shù)。占用較少的PLC資源，既可擴(kuò)充PLC系統(tǒng)的外圍顯示設(shè)備，又間接地解決了HMI無(wú)法適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等實(shí)際工程問(wèn)題。該儀表已應(yīng)用于垃圾發(fā)電12路遠(yuǎn)程手操信號(hào)的顯示，應(yīng)用結(jié)果表明其具有極高的可靠性和良好的可維護(hù)性。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該數(shù)顯儀表解決了PLC系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管占用太多資源的問(wèn)題，間接地解決了基于PLC系統(tǒng)通信口的一類數(shù)顯儀表需要知曉通信協(xié)議等問(wèn)題。
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