1 引言

    在自動控制領(lǐng)域，PLC 和單片機都受到廣泛應(yīng)用。PLC 具有穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強， 功能強大且使用方便等特點[1]，單片機具有成本低廉，使用靈活，功能多樣等特點。PLC 與 單片機結(jié)合，互相聯(lián)系，互相通訊，將擴展控制功能，更好的控制復(fù)雜的系統(tǒng)。

    在研究混合動力電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)[2]時， 采用PLC 作為主控制器，控制電機變頻器和發(fā) 動機節(jié)氣門控制器，實現(xiàn)對電機和發(fā)動機功率的 綜合控制。因為PLC 和變頻器均是艾默生公司 的產(chǎn)品，均支持RS485 接口和MODBUS 協(xié)議， 所以控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用RS485 接口和MODBUS 協(xié)議。而發(fā)動機節(jié)氣門控制器采用89C51 單片 機，所以要通過建立PLC 與單片機的通訊，實 現(xiàn)控制。

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

    通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

2.1 信號轉(zhuǎn)換電路

    單片機支持 TTL 電平，可以采用MAX485 芯片來實現(xiàn)RS485 與TTL 之間的信號轉(zhuǎn)換 （如圖2）。MAX485 芯片采用單一電源+5 V 工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接 收器。RO 和DI 端分別為接收 器的輸出和驅(qū)動器的輸入端， 分別與單片機的RXD 和TXD 相連；RE 和DE 端分別為接收 和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE 為邏 輯0 時，器件處于接收狀態(tài)； 當(dāng)DE 為邏輯1 時，器件處于 發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485 工作 在半雙工狀態(tài)，所以只需用單 片機的一個管腳控制這兩個 引腳即可；PLC 里RS485 總線的A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A 引腳的 電平高于B 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A 的電平低于B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在A 和B 端之間加匹配電阻，一般可選100Ω 左右的電阻。

3 軟件設(shè)計

    控制系統(tǒng)采用單主機/多從機的組網(wǎng)方式，PLC 為主機，電機變頻器和單片機為從機。 艾默生公司的PLC 和電機變頻器之間已經(jīng)建立了采用RS485 總線，MODBUS 協(xié)議的通訊 [3][4]，為了實現(xiàn)PLC 與單片機的通訊，須先了解PLC 與電機變頻器的通訊特點，然后建立 連接通訊。

3.1 PLC 與電機變頻器的通訊特點

    采用RTU 方式的Modbus 協(xié)議，幀格式如圖3 所示。 波特率為9600bps，數(shù)據(jù)格式為1-8-N-2，字符間間隔少于 1.5 個字符時間（1.72ms），RTU 幀的最大幀長度是256 個 字節(jié)。幀之間的空閑時間取命令碼設(shè)定和Modbus 內(nèi)部約 定值中的較大值。Modbus 內(nèi)部約定的最小幀間空閑如下： 幀頭和幀尾通過總線空閑時間不小于3.5 個字符時間 （4ms）來界定幀。幀之間的總線空閑不需要累加起始和 結(jié)束空閑。數(shù)據(jù)采用CRC16 校驗，整個信息參與校驗， 校驗和的高低字節(jié)需要交換后發(fā)送。

圖3 RTU 方式

    RS485 是異步半雙工的通訊總線。主機處于主導(dǎo)和支 配地位，定時發(fā)出監(jiān)控命令，等待從機的應(yīng)答。從機處于 偵聽狀態(tài)，不能主動往總線發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到主機發(fā)送 的一幀信息后，首先判斷地址碼是否本機地址，如果此幀 信息的地址碼和本機地址相同，則繼續(xù)處理命令碼和數(shù) 據(jù)，如果此幀信息的地址碼和本機地址不同，則忽略。接收完一個主機監(jiān)控命令后，先進行校驗，如果校驗正確則執(zhí)行接收的監(jiān)控命令，并根據(jù)命令回送相應(yīng)的應(yīng)答幀。任何時刻只能有一個從機處于發(fā)送狀態(tài)，但主機發(fā)送時所有從機都必須 處于接收狀態(tài)。

    上位機PLC 的通訊流程圖如圖4 所示。

圖4 上位機PLC 的通訊流程圖

3.2 PLC 與單片機通訊的實現(xiàn)

表 1 PLC 與單片機通訊的幀字節(jié)數(shù)

    單片機進行通信時工作在“方式一”的狀態(tài)下[5]。 因為PLC 發(fā)出的數(shù)據(jù)幀第一個字符為地址數(shù)據(jù)，所 以單片機在接收數(shù)據(jù)時要區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否是 幀的第一個字符。根據(jù)單片機每接收完一個字節(jié)數(shù) 據(jù)RI 就置1，而且?guī)g間隔4ms 以上，字符間隔少 于1.72ms， 可以通過計時的方式來判斷幀的第一個 字符。當(dāng)RI 置1，開始計時，到下一次RI 置1，計 時結(jié)束，當(dāng)時間間隔大于4ms，則后一次RI 置1 時 接收的字符是幀的第一個字符，當(dāng)時間少于1.72ms， 則不是。

    為了簡化程序，可以協(xié)議好PLC 與單片機通訊 的幀字節(jié)數(shù)為6 個字節(jié)，如表1。單片機根據(jù)地址字 符數(shù)據(jù)判斷是否是本機地址，如果是，則接收處理 后面的5 個字節(jié)數(shù)據(jù)，計算前四個字節(jié)的CRC 校驗 碼，并與接收到的兩個字節(jié)CRC 校驗，進行核對， 如果不相同，則不反饋數(shù)據(jù)給PLC，也不執(zhí)行數(shù)據(jù) 包含的指令，如果相同，則反饋數(shù)據(jù)給PLC，執(zhí)行 數(shù)據(jù)包含的指令。下位機單片機程序的流程圖如圖5 所示。

4 結(jié)束語

    本文作者創(chuàng)新點：在艾默生 PLC 與其變頻器的 通訊基礎(chǔ)上加入了基于RS485 接口Modbus 協(xié)議的 PLC 與單片機的多機通訊，該通訊方案硬件接口簡 單，軟件和通信協(xié)議有很好的通用性，可以拓展為PLC 與多個變頻器和單片機的同時通訊， 也可應(yīng)用于其他工程的多機通訊系統(tǒng)中。該通訊方案已經(jīng)成功應(yīng)用于混合動力電動汽車的驅(qū) 動電機及發(fā)動機節(jié)氣門的綜合控制。