基于AT89C55單片機(jī)的PLC研究

隨著高職教育的迅速發(fā)展，將PLC技術(shù)引進(jìn)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(dá)成共識(shí)，是課程建設(shè)現(xiàn)代化的重要措施。本文在研究 AT89C55單片機(jī)后，以該單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合PLC系統(tǒng)，集成了多路開(kāi)關(guān)量I/O及模擬量輸入，并可以通過(guò)RS232/RS485與上位機(jī)進(jìn)行通訊，已經(jīng)作為若干高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用，并且，在要求較高的工程項(xiàng)目中也得到了具體的應(yīng)用。

1 PLC的硬件功能設(shè)計(jì)

該P(yáng)LC的設(shè)計(jì)思想基于三菱PLC的操作語(yǔ)言，仿照三菱編程器的操作，利用AT89C55單片機(jī)作為主控芯片，輔以其它芯片完成相關(guān)功能，其邏輯圖見(jiàn)圖1所示。為了達(dá)到教學(xué)目的，在設(shè)計(jì)思路上和常規(guī)的PLC有幾個(gè)不同點(diǎn)：一是為了使學(xué)生更多地接觸不同的輸出方式并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(méi)有公共端子，三個(gè)端子完全引出，由學(xué)生自由組合，可擴(kuò)大控制范圍；二是在輸入上，除了16路開(kāi)關(guān)量輸入外，還設(shè)計(jì)了2路模擬量輸入和高速開(kāi)關(guān)量計(jì)數(shù)器輸入；三是源代碼開(kāi)放，工科院校自控和計(jì)算機(jī)專業(yè)都開(kāi)設(shè)單片機(jī)課程，由于條件所限，學(xué)生將實(shí)踐和學(xué)習(xí)相結(jié)合的機(jī)會(huì)并不多，鑒于這種情況，將源代碼開(kāi)放，學(xué)生可以學(xué)習(xí)、補(bǔ)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(dú)立的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里將各種功能集成到一個(gè)PLC 模塊中，可以降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。在圖1中，為增加學(xué)生對(duì)輸出模塊的認(rèn)識(shí)，可控硅模塊可以和繼電器模塊互換，結(jié)構(gòu)只是一個(gè)可控硅光耦（例如 MOC3023）驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(shí)，用來(lái)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(píng)分，用于實(shí)際工程項(xiàng)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(kāi)關(guān)給出本機(jī)地址，使用RS485接口組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。

2 單片機(jī)語(yǔ)言的選擇及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一般說(shuō)來(lái)，現(xiàn)在通用的單片機(jī)編程語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，C語(yǔ)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(lái)工作的，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，一個(gè)掃描周期一般不大于20ms，這樣，當(dāng)程序較長(zhǎng)時(shí)，速度就顯得尤為重要了。因此，選擇匯編語(yǔ)言作為PLC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

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

用戶程序4個(gè)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(dá)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(shí)現(xiàn)的是繼電器的上升沿或下降沿檢測(cè)。在PLC語(yǔ)言中許多情況是要檢測(cè)上升沿或下降沿的，有近千個(gè)繼電器，在每個(gè)循環(huán)中對(duì)所有的繼電器都進(jìn)行檢測(cè)記錄，無(wú)論時(shí)間或記錄位置（寄存器）都是難以實(shí)現(xiàn)的，故開(kāi)辟了一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，專門記錄激活了（即使用中）的繼電器狀態(tài)，在程序運(yùn)行前，先對(duì)繼電器掃描，把激活的繼電器依序登錄，當(dāng)程序運(yùn)行到該繼電器時(shí)就對(duì)該繼電器進(jìn)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(shí)便認(rèn)為是上升沿（或下降沿）到達(dá)。

3 開(kāi)關(guān)量I/O的軟硬件設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量I/O是PLC的重要內(nèi)容，一般來(lái)說(shuō)，為了提高抗干擾能力，輸入與MCU之間是通過(guò)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(kāi)關(guān)CD4067（U8），4條地址線用4個(gè)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(gè)周期依序查詢的辦法，故在程序中設(shè)計(jì)了一毫秒定時(shí)（2）中斷，每毫秒查詢一個(gè)接口，同時(shí)將接口狀態(tài)映射到BIT 30H-3FH，因此，只需要對(duì)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(hù)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(gè)字節(jié)），跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置得到輸入映像，指向下一個(gè)輸入地址，然后，恢復(fù)被保護(hù)的寄存器，返回。程序代碼長(zhǎng)度為103個(gè)字節(jié)，執(zhí)行所占用的時(shí)間為 0.018毫秒，完全滿足PLC的實(shí)時(shí)性要求。

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

4 PLC的測(cè)試與應(yīng)用

利用文獻(xiàn)[2]中的通用多功能計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試軟件，在攝氏40℃以上的環(huán)境中對(duì)PLC進(jìn)行測(cè)試，采用CRC校驗(yàn)，每4秒發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù)測(cè)試48小時(shí)，PLC都能夠成功識(shí)別數(shù)據(jù)包，并返回正確的結(jié)果，完全能夠滿足實(shí)際的工程要求。

內(nèi)蒙第一機(jī)械制造集團(tuán)公司是國(guó)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(yàn)臺(tái)，就是采用該P(yáng)LC進(jìn)行監(jiān)控的。全部試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)PLC、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等進(jìn)行控制。試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏隨時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)打印機(jī)打印輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在北方奔馳重型車輛制造有限公司的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中，也使用了該P(yáng)LC。這兩個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)目前運(yùn)行可靠。該P(yáng)LC還批量投入實(shí)驗(yàn)室使用，在高級(jí)技工考試中也得到了成功的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

本文利用AT89C55單片機(jī)實(shí)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(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)和教學(xué)設(shè)備中，對(duì)于替代昂貴的進(jìn)口PLC和節(jié)省教育經(jīng)費(fèi)具有重要意義。

作者簡(jiǎn)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(zhǎng)，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的開(kāi)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(xiàn)

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

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