用PLC系統(tǒng)兩線連接型數(shù)顯儀表的設(shè)計(jì)

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)過程^[1]。目前的PLC系統(tǒng)多用指示燈來顯示生產(chǎn)過程或設(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來顯示過程變量或設(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程的可靠性等問題。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。每次傳輸過程增設(shè)3個(gè)同步脈沖是為了提高傳輸過程的可靠性，確保PLC系統(tǒng)及其傳輸線路無論出現(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)量無關(guān)，可以確保PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性。

圖5 PLC系統(tǒng)和多臺(tái)數(shù)顯儀表的連接

5 結(jié)論

該數(shù)顯儀表無需知曉任何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無法適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等實(shí)際工程問題。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)議等問題。