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

1、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?；趌ed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

2、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

3、 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(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stc

4、89c51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

5、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p1.0p1.3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

6、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

7、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

8、表明收到了正確的同步信號(hào)，此時(shí)關(guān)閉外中斷0，開(kāi)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1else 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0ex1=1; /開(kāi)放外中斷13.2 外中斷1服務(wù)程序外中斷1由時(shí)鐘信

9、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03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(kāi)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

10、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=recdata1; /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(kāi)外中斷0ex1=0; /關(guān)外中斷14 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)

11、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09999，d1單元存放小數(shù)點(diǎn)位置信息，其取值范圍為03。占用的資源包括計(jì)數(shù)器c0c1和中間繼電器m100m131，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，y0y7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