PLC實現兩線連接型數顯儀表系統設計

引言

目前的PLC系統有時需借助于專用的人機界面(HMI)、工業PC來顯示過程變量或設置系統參數。HMI和IPC不僅增加了PLC系統的成本，而且無法適應高溫、高濕熱、多粉塵的工作環境。如果使用PLC系統的I/O直接驅動數碼管進行顯示，則需要占用大量的PLC系統I/O資源。本文采用單片機和程序控制技術，通過特定的傳輸時序，只需使用PLC系統的2個I/O點即可實現其參數顯示。

　　1 硬件設計

　　以STC89C51為核心實現的PLC系統兩線連接型數顯儀表的硬件組成如圖1所示。整個硬件系統主要由STC89C51單片機、輸入接口、程序下載接口、數碼管顯示驅動電路、按鍵輸入(可選)和報警輸出(可選)等部分組成。STC89C51和標準80C51保持硬件結構和指令系統兼容，提高了時鐘速率，擴充了在系統編程(ISP)、在應用編程(IAP)、電源欠壓檢測與復位、看門狗復位等功能，其I/O口經過了特殊的設計，使其在工業控制環境中具有極高的可靠性[2]。

　　
圖1 PLC系統兩線連接型數顯儀表的硬件組成

　　1.1 PLC系統輸入接口

　　PLC系統通過兩個輸出點將顯示數據按照一定的時序傳給數顯儀表。PLC系統一般有繼電器出、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輸出形式經過相應的轉換電路連接數顯儀表。為了適應兩種輸出形式，采用光電耦合器統一將PLC系統的輸出信號轉換為TTL電平信號。如果PLC系統的輸出形式為24VDC，例如西門子的S7系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側的連接如圖2所示。如果PLC系統的輸出為晶體管集電極開路或漏極開路輸出，如三菱的FX系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側的連接如圖3所示。無論采用何種連接方式，轉換后進入STC89C51單片機的信號邏輯都與PLC系統的輸出邏輯保持一致。使用光電耦合器實現信號轉換，有利于提高系統的抗干擾能力，因為干擾信號即使具有較高的電壓幅值，但其能量相對較小，形成的微弱電流一般不足以使光電耦合器導通[3]。轉換后的兩路信號分別作為數據線和時鐘線，連接到單片機的兩個外中斷輸入引腳，便于使用中斷方式傳輸顯示數據。

　　
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RS-232C接口將程序代碼從計算機下載到單片機內部的Flash中。程序下載接口一般設計為標準的RS-232接口，使用一片MAX232轉換芯片即可實現。

　　1.3 數碼管驅動電路

　　為了確保數碼管的顯示亮度，使用兩片74HC245實現數碼管的驅動。其中一片74HC245用于驅動4位共陰極數碼管的段碼，其輸入和單片機的P0口連接，輸出則經限流電阻限流后與4位數碼管的8個段碼引腳連接。另一片74HC245驅動4位數碼管的位碼，其輸入和單片機的P1.0～P1.3連接，輸出則分別和4位數碼管的公共端連接。

　　2 傳輸時序

　　1臺數顯儀表和PLC實現數據傳輸時需占用PLC的2個輸出點，分別用作數據線和時鐘線。由于顯示數據的傳輸是串行的，因此必須設計相應的傳輸時序。構建雙方的傳輸時序時必須充分考慮PLC系統的工作原理、輸出特性及其差異以及傳輸過程的可靠性等問題。綜合考慮這些因素后所設計的傳輸時序如圖4所示。傳輸1次顯示數據總共需要21個時鐘周期，其中3個時鐘用于同步信號，16個時鐘用于傳輸顯示數據的4位BCD碼或特定的提示字符，2個時鐘用于傳輸2位表示小數點顯示位置的信息。顯示數據和小數點位置信息的低位在前，高位在后。例如，圖4表示傳輸的顯示數據為8951，小數點位置信息為10，表示小數點在十位之后，因此最終顯示數據為895.1。

　　
圖4 數顯儀表和PLC系統之間的傳輸時序

　　由于PLC系統基于掃描原理周而復始地刷新輸入信號、執行用戶程序和輸出運行結果[4]，在一個掃描周期內讓PLC系統的輸出信號發生跳變難于實現，因此圖4的一個時鐘周期需要占用PLC系統的兩個掃描周期。每次傳輸過程增設3個同步脈沖是為了提高傳輸過程的可靠性，確保PLC系統及其傳輸線路無論出現何種故障，都可以在故障恢復后的一個傳輸周期內正確地傳輸顯示數據。