基于8254-2、單片機(jī)與S7-224XP PLC的核脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙修良 彭文斌 賀三軍 吳榮燕 劉麗艷 張嘉月

(南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

可編程邏輯控制器(PLC)用于工業(yè)控制可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，通信能力強(qiáng)，擴(kuò)展模塊豐富等特點(diǎn)。西門(mén)子S7-200 CPU224XP PLC 具有2 路200KHz 的高速計(jì)數(shù)器輸入［1］。然而，在對(duì)具有隨機(jī)性的核脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，PLC 的計(jì)數(shù)頻率過(guò)低會(huì)產(chǎn)生大量信號(hào)堆積而不能滿足系統(tǒng)要求。目前，西門(mén)子PLC 計(jì)數(shù)頻率達(dá)到105數(shù)量級(jí)的情況下，關(guān)于針對(duì)提高其計(jì)數(shù)頻率的問(wèn)題的研究暫未展開(kāi)。

本文提出了基于8254-2、單片機(jī)與PLC 的核脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)，在某種程度上提高了PLC 計(jì)數(shù)頻率。

1 8254-2、單片機(jī)與PLC 計(jì)數(shù)系統(tǒng)

采用8254-2 計(jì)數(shù)器記錄一次儀表處理后的核脈沖，把記錄的核脈沖數(shù)送給單片機(jī)的同時(shí)，單片機(jī)控制8254-2 計(jì)數(shù)器的工作方式等;單片機(jī)把記錄下的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信的方式發(fā)送給PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.1 8254-2 與單片機(jī)的連接電路

8254-2 是3 通道16 位可編程減法計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率10MHz，所有引腳都和TTL 兼容，具有CS、RD 和WR 控制線，D0-D7 的雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線、A0 和A1 地址線。其它CLK0-CLK2 為每個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入引腳，GATE0-GATE2 為每個(gè)計(jì)數(shù)器的門(mén)控輸入引腳，OUT0-OUT2 為每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出引腳，當(dāng)達(dá)到設(shè)定計(jì)數(shù)值時(shí)不同工作方式會(huì)產(chǎn)生不同的輸出波形。本文采用了其工作方式2:脈沖發(fā)生器，對(duì)輸入信號(hào)作N(計(jì)數(shù)器初值)次分頻，OUT 輸出連續(xù)的、寬度為1 個(gè)輸入脈沖周期的負(fù)脈沖［2］。

8254-2 與單片機(jī)的電路連接如圖1 所示。74LS373 鎖存低8 位地址;74LS154 將高位地址譯碼產(chǎn)生片選信號(hào);單片機(jī)的ALE 引腳用來(lái)鎖存P0 口送出的低8 位地址;單片機(jī)的P1.3引腳控制GATE0 信號(hào)功能。

圖1 單片機(jī)與8254-2 計(jì)數(shù)器的連接電路

1.2 單片機(jī)與PLC 的串口連接電路

本文采用AT89C51 單片機(jī)，其串行口輸出的是TTL 電平，而PLC 只帶有RS-485 接口。因此，要與PLC 進(jìn)行串口通信，必須完成TTL 到RS485 電平的轉(zhuǎn)換。本文選擇了MAX485芯片。

MAX485 接口芯片是Maxim 公司的一種RS-485 芯片。采用單一電源+5V 工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL 電平與RS-485 電平轉(zhuǎn)換的功能。RO 和DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端。當(dāng)為邏輯0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE 為邏輯1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài);A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A 引腳的電平高于B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A 的電平低于B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0［3］。

與單片機(jī)連接時(shí)只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485 的接收和發(fā)送即可，同時(shí)將A 和B 端之間加匹配電阻R。A 和B 的另一端分別連PLC 自由端口PORT0 的8 號(hào)和3 號(hào)端。如圖2 所示。

圖2 PLC 與單片機(jī)通信接口電路

2 單片機(jī)與PLC 的串口通信

由于系統(tǒng)中AT89C51 單片機(jī)只是發(fā)送數(shù)據(jù)，PLC 單純接收數(shù)據(jù)，所以采用單工串行通信。

2.1 AT89C51 單片機(jī)通信功能介紹

AT89C51 是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8 位單片機(jī)，它內(nèi)含1 個(gè)全雙工的串行通信口。本系統(tǒng)單純采用了AT89C51 單片機(jī)單工串口通信，利用串口中斷來(lái)完成發(fā)送數(shù)據(jù)功能。

2.2 PLC 自由方式通信介紹

S7-224XP PLC 是串口通信方式最豐富的小型PLC 之一，支持多種通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用其自由通信協(xié)議。自由通信協(xié)議又叫用戶定義協(xié)議，利用自由端口模式，可以實(shí)現(xiàn)用戶定義的通信協(xié)議，連接單片機(jī)。

在自由端口模式下，PLC 的串行通信接口由用戶來(lái)控制，通過(guò)語(yǔ)句表程序以及單片機(jī)的匯編語(yǔ)言進(jìn)行配合，來(lái)使用完成中斷、字符接收中斷、發(fā)送完成中斷等，通信協(xié)議由用戶完全控制。這時(shí)單片機(jī)處于主機(jī)狀態(tài)，由單片機(jī)主動(dòng)發(fā)送信息，PLC 接到信息完成數(shù)據(jù)處理即可。

2.3 PLC 與單片機(jī)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

PLC 采用自由端口模式協(xié)議，協(xié)議由語(yǔ)句表編程實(shí)現(xiàn);單片機(jī)使用異步發(fā)送模式，協(xié)議用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。

由于單片機(jī)與PLC 通信要求使用相同的波特率，且傳輸?shù)臄?shù)位相同，所以在單片機(jī)串口的初始化設(shè)置中將波特率的定時(shí)器1、串口的控制和中斷控制按如下步驟進(jìn)行［4］:(1)確定定時(shí)器1 的工作方式:TMOD =20H;(2)確定定時(shí)器1 的初始值裝載:TH1 =0FDH;TL1 =0FDH;(3)啟動(dòng)定時(shí)器1:TR1 =1;(4)確定串口的控制:SCON =52H;(5)計(jì)算波特率:選擇的晶振為11.0592MHz;波特率=2SMOD/32 ×定時(shí)器1 的溢出率(式中SMOD 為PCON 寄存器的最高位)，溢出率=11.0592/12，PCON=00H;得出串口波特率為9.6K。

字符信息格式為:1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1 位停止位［5］。

異步通信的字符信息格式如圖3 所示。

圖3 字符信息格式

數(shù)據(jù)位的發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇埃呶辉诤蟆?/p>

3 程序流程

3.1 單片機(jī)程序流程

單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了單片機(jī)對(duì)8254-2 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方式控制和與PLC 的異步串行通信發(fā)送程序。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

3.2 PLC 程序流程

PLC 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括了串口通信接收程序和數(shù)據(jù)處理程序。流程圖如圖5～圖7。

4 總結(jié)

由8254-2 計(jì)數(shù)器、AT89C51 單片機(jī)以及S7-224XP PLC為核心的核脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)了PLC 穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn);也發(fā)揮了單片機(jī)靈活性高的、易擴(kuò)展的特性;更是綜合了8254-2 可編程計(jì)數(shù)芯片的高頻率計(jì)數(shù)的優(yōu)勢(shì)，使三者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有靈活性高，實(shí)用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)成本低等特點(diǎn)，且在某種程度上提高了PLC 計(jì)數(shù)頻率，使PLC 得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］西門(mén)子(中國(guó))有限公司深入淺出西門(mén)子S7-200 PLC［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］鄭學(xué)堅(jiān)，周斌.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用(第三版)［M］.清華大學(xué)出版社，2007.

［3］徐建軍.MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用及接口技術(shù)［M］.人民郵電出版社，2003.

［4］邴春秋等.基于PLC 和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(6):8-9.

［5］劉文濤.單片機(jī)語(yǔ)言C51 程序設(shè)計(jì)［M］.北京:原子能出版社，2004.