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)

武振慧

摘要：PLC和單片機(jī)是目前最為常用的兩種控制器件。本文介紹了一種基于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)。

關(guān)鍵詞：PLC；單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集；控制系統(tǒng)

在工業(yè)控制過程中，需要對被控制對象的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且根據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，對其進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控及遠(yuǎn)程的控制，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

在現(xiàn)代工業(yè)控制中，對控制的準(zhǔn)確性判斷及控制的實(shí)時性和穩(wěn)定性需求都很高，所以要有一種可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制系統(tǒng)，而且這種系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)多通道高精度以及大容量的要求。因此，對單片機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、單片機(jī)概述

單片機(jī)（Microcontrollers）又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。同時，它也是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到目前的300M的高速單片機(jī)。

二、單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了單片機(jī)對A/D的采樣控制和PLC的串行通訊。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器1、串口的控制和中斷控制按如下步驟進(jìn)行：①確定定時器1的工作方式：TMOD=0x20；②確定定時器1的初值裝載：TH1=0xfD；TL1=0xfD；③啟動定時器1：TR1=1；④確定串口的控制：SCON=0x52；⑤計(jì)算波特率：波特率的設(shè)置應(yīng)與PLC的通信協(xié)議一致，選擇的晶振為11.0592M，波特率=2SMOD/32×定時器1的溢出率（式中SMOD為PCON寄存器的最高位），溢出率=11.0592×106×（213-TL1+3+1+2+2+1）/12），PCON=0x00；得串口波特率為9600 b/s。

單片機(jī)設(shè)定了工作在串口方式1，它的幀格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位；而PLC要求的是1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個偶校驗(yàn)位，1個停止位。所以單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時要把數(shù)據(jù)的最高位設(shè)置成偶校驗(yàn)位，這樣才能順利通訊。

三、PLC與LabVIEW的串行通信

由于FX系列PLC只有RS422和RS485的串行通信接口，所以與PC機(jī)進(jìn)行串口通信時要接一個RS232與RS422（或RS485）的轉(zhuǎn)換電纜，完成通信的硬件連接。

1、PLC與上位機(jī)LabVIEW的通信設(shè)計(jì)。用PC機(jī)的RS-232接口與PLC通信，需要對PLC一些參數(shù)進(jìn)行配置。采用FX系列PLC的默認(rèn)設(shè)置為：啟動位：1位；數(shù)據(jù)長度：7位；停止位：2位；奇偶校驗(yàn)：偶校驗(yàn)；波特率：9600 b/s。

通信格式設(shè)置完后，PC機(jī)開始向PLC傳送數(shù)據(jù)。①通信開始先由PC機(jī)向PLC發(fā)出呼叫，由于是一對一的呼叫，無需地址碼；②PLC接受到呼叫信號后，以相應(yīng)的字符發(fā)送應(yīng)答信號；③PC機(jī)收到正確的應(yīng)答信號后，將數(shù)據(jù)傳送給PLC；④PLC接收到數(shù)據(jù)后，以相應(yīng)的字符發(fā)送結(jié)束信號；⑤PC機(jī)收到結(jié)束信號后停止傳送數(shù)據(jù)，通信結(jié)束。

在LabVIEW的程序中可采用下列步驟實(shí)現(xiàn)與PLC之間的通訊：①初始化串口，設(shè)置雙方通訊的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等，與PLC的設(shè)置相同；②把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按PLC命令幀的格式打包；③寫端口，把整個命令幀發(fā)送到串口；④延時等待PLC的應(yīng)答幀到達(dá)串口；⑤讀串口，讀取PLC的應(yīng)答幀；⑥把讀取的應(yīng)答幀解包，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

其中@表示一幀的開始，上位機(jī)按“節(jié)點(diǎn)號”來識別PLC；識別碼是兩個字符的上位機(jī)命令代碼，它表示上位機(jī)要對PLC進(jìn)行何種操作；正文包括起始字和字?jǐn)?shù)，起始字是指要讀寫通道的起始地址，字?jǐn)?shù)是指要讀寫的通道個數(shù)；FCS碼（兩個字符）用于校驗(yàn)，由上位機(jī)計(jì)算并設(shè)置在命令幀里，安排在終止符前，以檢查在傳送數(shù)據(jù)時是否發(fā)生錯誤。FCS碼的具體算法是：從一幀數(shù)據(jù)的開始到幀正文結(jié)束（FCS之前）所有數(shù)據(jù)字符ASCII碼執(zhí)行“異或”操作的結(jié)果，此結(jié)果是一個8位二進(jìn)制數(shù)，然后分別把其高4位和低4位轉(zhuǎn)換成兩個16進(jìn)制數(shù)表示的ASCII碼；終止符是“*”。

同理，PLC在接收命令幀后要返回相應(yīng)的應(yīng)答幀，其格式就是在識別碼的后面加一個結(jié)束碼，結(jié)束碼表示返回給PLC的錯誤代碼，若正確為00H，其他為不同的錯誤代碼。

2、上位機(jī)LabVIEW的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)要求用上位機(jī)來完成現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的顯示，并能通過PLC對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，所以需設(shè)計(jì)顯示采集數(shù)據(jù)的顯示窗口和發(fā)布控制命令的命令窗口。

3、基于B/S模式的LabVIEW遠(yuǎn)程控制功能。LabVIEW中的遠(yuǎn)程面板（Remote Front Panel）采用了B/S模式，把一個VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中，使Internet上的客戶端能看到一個動態(tài)刷新的實(shí)時畫面，而且客戶端獲得授權(quán)后還能對前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時，由于LabVIEW中內(nèi)嵌了Web服務(wù)器的功能，所以不必再開發(fā)Web服務(wù)應(yīng)用程序，只需通過簡單的設(shè)置就能將原來單機(jī)版的測控系統(tǒng)升級為基于Web的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程面板技術(shù)實(shí)現(xiàn)首先需設(shè)置Web服務(wù)器：激活Web Server服務(wù)，設(shè)置發(fā)布文件所在根目錄（RootDi rec tory），指定記錄Web登錄信息的文件（LogFile）；設(shè)置瀏覽訪問控制列表（browser acces s list），客戶端用戶具有監(jiān)控、監(jiān)視、及拒絕訪問三種訪問權(quán)限，能有效控制不同重要程度的訪問客戶端；設(shè)置VI可見性（Visible），將需要遠(yuǎn)程控制的VI的名字添加到列表框中，以便遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行訪問；創(chuàng)建HTML文件，修改HTML文件中的參數(shù)。可利用LabVIEW的Web Publ ish工具進(jìn)行創(chuàng)建。然后設(shè)置訪問客戶端：安裝LabVIEW運(yùn)行引擎（LabVIEWRunTime Engine）；打開瀏覽器，輸入對應(yīng)的URL。

四、結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識的重要手段之一。另外，在工業(yè)控制領(lǐng)域里，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)密不可分，而單片機(jī)與PLC分別是這兩個部分的核心。但兩者各有其特點(diǎn)，因而在實(shí)際的應(yīng)用中希望把兩者結(jié)合在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

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（作者單位：中車唐山機(jī)車車輛有限公司）