可編程程序控制器（PLC）是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種自動(dòng)控制裝置，以其具有的功能強(qiáng)、可靠性高、操作靈活、編程簡(jiǎn)便等特性，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一[1]。

    隨著PLC的應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，其控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，需要處理儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)量不斷增加。例如，有些PLC工業(yè)控制儀器需要保存一個(gè)月甚至一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，需要幾兆字節(jié)甚至幾百兆字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。由于一般的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量較小，不得不借助外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，可將PLC的數(shù)據(jù)以txt文件類(lèi)型的形式存入到U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等大容量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器里，擴(kuò)大PLC數(shù)據(jù)容量，亦可方便桌面計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)由數(shù)據(jù)輸出終端為PLC、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)接收終端（U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等）三部分組成。其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的中央控制器為Atmega16L單片機(jī)。此外，還包括由RS232和RS485組成的串口通信模塊、CH376文件管理控制芯片、USB接口輸出模塊以及DS1302授時(shí)模塊。PLC通過(guò)RS232或RS485接口將數(shù)據(jù)上傳給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送識(shí)別信號(hào)給接USB口模塊，根據(jù)反饋信號(hào)判斷USB接口連接是否正常，若正常則根據(jù)DS1302授時(shí)模塊、利用CH376文件管理控制芯片在存儲(chǔ)設(shè)備中新建以時(shí)間信息為文件名主體的txt文件類(lèi)型或其他類(lèi)型的文件，再將數(shù)據(jù)存入其中。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Atmega16L與CH376的電路設(shè)計(jì)

    Atmega16L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的低功耗8 位CMOS微控制器。其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間可以減小整個(gè)系統(tǒng)的功耗，且不會(huì)影響系統(tǒng)的處理速度[2]。

    CH376是文件管理控制芯片，可用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫(xiě)U盤(pán)、SD卡中的文件，亦可用于與USB接口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與通信。CH376支持3種通信接口：8位并行、SPI接口和異步串口方式，單片機(jī)通過(guò)上述任何一種通信接口控制CH376芯片，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備，甚至可以與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行通信[3]。

面對(duì)工業(yè)控制中惡劣的工作環(huán)境，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和精確性，單片機(jī)Atmega16L與CH376之間的通信接口選擇8位并行接口，連接電路如圖2所示。

圖2  Atmega16L與CH376的連接電路圖

2.2 串口通信模塊的電路設(shè)計(jì)

    通常PLC可以提供RS232和RS485兩種通信接口類(lèi)型，但是Atmega16L單片機(jī)只提供一個(gè)串口接口。為了方便用戶接口選擇，設(shè)計(jì)了一種RS232和RS485兩個(gè)接口公用一個(gè)串口的接口電路，如圖3所示。

圖3  串口通信接口電路圖

當(dāng)RS232或RS485懸空未使用時(shí)，兩二極管的負(fù)極均為高電平，所以當(dāng)采用一組通信方式時(shí)不會(huì)影響到另一組。而RS485通信采用非門(mén)實(shí)現(xiàn)了RS485的自動(dòng)接收與發(fā)送之間的切換[4]。Atmega16L的UART初始狀態(tài)為邏輯高電平，則：

   (1)接收狀態(tài)：TXD為高，MAX485使能端(DE/RE)為低，MAX485處于接收狀態(tài)，如無(wú)數(shù)據(jù)輸入，由于偏置電阻R2、R3的作用，RXD為邏輯高電平；如果有數(shù)據(jù)輸入，則RXD電平與輸入電平一致，實(shí)現(xiàn)了接收功能。

    (2)發(fā)送狀態(tài)：TXD為高，MAX485使能端為低，MAX485處于接收狀態(tài)，由于偏置電阻R2、R3的作用，輸出邏輯為高；TXD為低，MAX485使能端為高，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)，輸出邏輯為低[5]。這樣就實(shí)現(xiàn)了發(fā)送功能。RS485收發(fā)信號(hào)狀態(tài)如表1所示。

3 通信設(shè)計(jì)

3.1 PLC與單片機(jī)的通信

    為了滿足不同的PLC使用，本系統(tǒng)選用工業(yè)中使用廣泛的ModBus通信協(xié)議。ModBus協(xié)議系統(tǒng)中有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式為RTU模式，在同樣的波特率下，它可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)[6]。ModBus信息以幀的方式傳輸，在RTU模式中，每幀開(kāi)始和結(jié)束都至少需要傳輸4 B數(shù)據(jù)的靜止時(shí)間，所傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)域依次為從機(jī)地址、功能代碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是十六進(jìn)制的[7]。RTU數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

    ModBus通信協(xié)議采用的是主從方式，本系統(tǒng)中以PLC為主機(jī)，轉(zhuǎn)換模塊為從機(jī)。當(dāng)從機(jī)接收到地址信息時(shí)立即對(duì)它進(jìn)行解析判斷，如果地址相符合，則按指令要求修改其參數(shù)，并發(fā)送應(yīng)答信息給主機(jī)；否則對(duì)接收的報(bào)文信息不予理睬。一個(gè)幀的信息必須以連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，如果在發(fā)送幀信息期間出現(xiàn)超過(guò)傳輸1.5 B數(shù)據(jù)的靜止時(shí)間時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)將被清除[8]。主機(jī)與從機(jī)通信示意圖如圖5所示。

圖5  主機(jī)與從機(jī)通信示意圖

    為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PLC的精確通信，ATmega16L單片機(jī)的串口設(shè)置為以中斷響應(yīng)的通信方式進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信波特率設(shè)定為9 600 b/s，輸出/輸入的數(shù)據(jù)格式為1 bit開(kāi)始位、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位、1 bit校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)方式設(shè)定為為偶校驗(yàn)[9]。主機(jī)PLC則以歐姆龍PLC為例，將串口1設(shè)置為RS-232C模式，數(shù)據(jù)格式與單片機(jī)相同，串口設(shè)置如圖6所示。

圖6  OMRON PLC的串口設(shè)置圖

3.2 單片機(jī)與CH376芯片的通信

    上電延時(shí)50 ms，單片機(jī)發(fā)送 CMD_CHECK_EXIST(06H)命令，發(fā)送55H數(shù)據(jù)，正常工作返回0AAH；再發(fā)送 CMD_SET_USB_MODE(15H)命令，后續(xù)數(shù)據(jù)為06H，設(shè)置為USB模式，返回狀態(tài)為CMD_RET_SUCESS(51H)，設(shè)置成功；發(fā)送CMD_DISK_CONNECT(30H)命令，檢測(cè)U盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)是否連接，返回中斷狀為USB_INT_CONNECT(15H)，設(shè)備連接；發(fā)送 CMD_DISK_MOUNT(31H)命令，初始化U盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)，產(chǎn)生中斷返回USB_INT_SUCESS(14H)，初始化完成。初始化完成即可對(duì)連接的U盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)進(jìn)行創(chuàng)建新的文件、打開(kāi)已有文件、寫(xiě)入數(shù)據(jù)等操作。操作完成后，發(fā)CMD_DISK_CONNECT(30H)命令，檢測(cè)設(shè)備是否依然連接，產(chǎn)生中斷。如果返回中斷狀態(tài)為USB_INT_DISCONNECT(16H)，則設(shè)備移除；如果返回中斷狀態(tài)為 USB_INT_CONNECT(15H)，則繼續(xù)等待[3]。其流程如圖7所示。

單片機(jī)與CH376之間使用8位并口，它的寫(xiě)指令和數(shù)據(jù)的程序如下：

(1)往CH376命令端口寫(xiě)入命令

void  WriteCH376Cmd( unsigned char mCmd )  

{

CH376_DATA_DAT_OUT( mCmd )；  //向CH376的并口輸出數(shù)據(jù)

CH376_DATA_DIR_OUT( )；  //設(shè)置并口方向?yàn)檩敵?/p>

CH376_A0 = 1；

CH376_CS = 0；

CH376_WR = 0；    //輸出有效寫(xiě)控制信號(hào)，

寫(xiě)CH376芯片的命令端口

CH376_CS = 0；    //該操作無(wú)意義，僅作延時(shí)，

CH376要求讀寫(xiě)脈沖寬度大

CH376_WR = 1；     //輸出無(wú)效的控制信號(hào)，

完成操作CH376芯片

CH376_CS = 1；

CH376_A0 = 0；

CH376_DATA_DIR_IN( )；     //禁止數(shù)據(jù)輸出

}

(2)往CH376數(shù)據(jù)端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)

void  WriteCH376Data(unsigned char mData )

{

CH376_DATA_DAT_OUT( mData )；

//向CH376的并口輸出數(shù)據(jù)

CH376_DATA_DIR_OUT( )；   //設(shè)置并口方向?yàn)檩敵?/p>

CH376_A0 = 0；

CH376_CS = 0；

CH376_WR = 0；    //輸出有效寫(xiě)控制信號(hào)，

寫(xiě)CH376芯片的數(shù)據(jù)端口

CH376_WR = 1；    //輸出無(wú)效的控制信號(hào)，

完成操作CH376芯片

CH376_CS = 1；

CH376_DATA_DIR_IN(     )；  //禁止數(shù)據(jù)輸出

}

    本文介紹了一種基于單片機(jī)的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)描述了系統(tǒng)的總體方案、硬件電路的設(shè)計(jì)及各模塊的相互通信。該系統(tǒng)與PLC通信采用了工業(yè)中廣泛應(yīng)用的ModBus通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了通信標(biāo)準(zhǔn)化，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。單片機(jī)與CH376的通信中采用了8位并行通信接口，增強(qiáng)系統(tǒng)整體的抗干擾能力，保證數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)提供了RS485和RS323兩種串口接口，滿足不同的接口需求；使用CH376文件管理芯片，在U盤(pán)等儲(chǔ)存設(shè)備里建立txt類(lèi)型文件儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，方便桌面計(jì)算機(jī)的查看。此外，還添加了DS1302實(shí)時(shí)授時(shí)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可以依據(jù)時(shí)間創(chuàng)建以時(shí)間信息為命名主體的文件并存入數(shù)據(jù)，方便后期對(duì)數(shù)據(jù)識(shí)別、查找與分析。實(shí)踐證明，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)功能穩(wěn)定，實(shí)用可靠，在PLC需要大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工控領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 霍罡.歐姆龍CP1H PLC應(yīng)用基礎(chǔ)與編程實(shí)踐[M].北京：  機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 汪煉，韓震宇.基于AVR單片機(jī)的串口通訊設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003(2)：52-53.

[3] Nanjing Qinheng Electronics Co..The data sheet of CH372[Z].  2008.

[4] 劉啟中，李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5] 甘海峰，余奇志，吳興中.單片機(jī)與西門(mén)子變頻器的通信設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012，33(3)：65-68.

[6] MODICON Inc..Modicon ModBus protocol reference guide[Z]. 2008.

[7] 鄧元生.基于單片機(jī)的ModBus總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[8] 張榮華，王富東.單片機(jī)與U盤(pán)的接口技術(shù)[J]．電工技術(shù)， 2007(5)：45-51.

[9] 唐洪富，張興波.基于STC系列單片機(jī)的智能溫度控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：60-70.

(收稿日期：2014-04-17)  

作者簡(jiǎn)介：

殷蘇民，男，1956年生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：微控技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)。