用PLC系統兩線連接型數顯儀表的設計

0 引言

可編程邏輯控制器簡稱PLC(Programmable Logic Controller)，具有編程簡單、可靠性高、通用性強和使用方便等特點，廣泛應用于工業控制中的各類生產過程^[1]。目前的PLC系統多用指示燈來顯示生產過程或設備的狀態信號，或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。基于LED的數顯儀表具有環境適應性強、顯示直觀、醒目等優點，可以滿足某些工業現場的特殊顯示需求。然而，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。

3 軟件設計

數顯儀表的程序由初始化、外中斷0服務程序、外中斷1服務程序和定時器T0中斷服務程序4部分組成。T0每隔5ms中斷1次，在其中斷服務程序中根據接收到的顯示數據及其小數點位置信息完成4位數碼管的動態顯示。外中斷0服務程序用于檢測同步信號，外中斷1服務程序用于接收16位顯示數據的BCD編碼和2位表示小數點顯示位置的信息。

3.1 外中斷0服務程序

外中斷0由數據信號線的下降沿觸發，在其中斷服務程序中，如果檢測到時鐘線為低電平，則視為同步信號。當檢測到3個同步脈沖后，則表明收到了正確的同步信號，此時關閉外中斷0，開啟外中斷1，借助于外中斷1服務程序接收數據。如果在前一次或前兩次中斷服務程序中已檢測同步脈沖而本次未檢測到同步脈沖，則視為無效同步信號。外中斷0服務程序的主要代碼如下：

void Int0_Srvice(void) interrupt 0

{ p33=1;

if(p33==0) SysClock++; //有效，同步脈沖加1

else SysClock=0; //無效，同步脈沖清零

if(SysClock==3)

{ //檢測到3個同步脈沖

RecEnable=1; //置允許接收標志

EX0=0; //關閉外中斷0

EX1=1; //開放外中斷1

}}

3.2 外中斷1服務程序

外中斷1由時鐘信號線的下降沿觸發，在其中斷服務程序中，如果查詢到已建立允許接收標志，則接收16位顯示數據的BCD碼和2位小數點位置信息，并將其轉換為18位并行數據，存于DispData變量中供T0中斷服務程序進行顯示。由于顯示數據和小數點位置信息都是低位在前，高位在后，所以在程序中使用右移操作實現串行數據到并行數據的轉換。小數點位置信息為0～3時，表示小數點分別位于數碼管的千位、百位、十位和個位之后。如果小數點在個位之后，則不顯示小數點。當接收到18位信息后，則關閉外中斷1，重新開放外中斷0進行下一周期的數據傳輸。外中斷1服務程序的主要代碼如下：

void Int1_Srvice(void) interrupt 2

{ if(RecEnable==1) //允許接收

{ p32=1; //檢測數據線電平

if(p32==1) RecData=RecData|0x40000;

RecData=RecData>>1; //實現串/并轉換

DataClock++;

if(DataClock==19) //已接收到18位數據

{ //顯示數據存于DispData中

DispData=RecData;RecData=0;

SysClock=0;DataClock=0;

RecDone=1;RecEnable=0;

EX0=1; //開外中斷0

EX1=0; //關外中斷1

}}}

4 應用實例

利用PLC系統的(n+1)個輸出點可以連接n臺數顯儀表，其中1點用作公共時鐘線，n點用作n臺數顯儀表的數據線。使用數顯儀表顯示PLC系統的數據或參數時，還必須給PLC系統編寫滿足時序要求的驅動程序。

4.1 PLC驅動程序設計

此處以三菱FX2N PLC系統為例，介紹PLC系統驅動程序的編寫方法。假設使用Y0作為數據線，Y1作為時鐘線，則PLC驅動程序的梯形圖如圖5所示。程序中使用D0單元存放顯示數據，其取值范圍為0～9999，D1單元存放小數點位置信息，其取值范圍為0～3。占用的資源包括計數器C0～C1和中間繼電器M100～M131，可以結合用戶程序進行相應的調整。

圖5 FX2N PLC顯示驅動程序

4.2 多臺數顯儀表與PLC系統的連接

多臺數顯儀表與PLC系統的連接如圖6所示，圖中的1臺FX2N PLC連接了8臺數顯儀表，PLC的Y10用作公共時鐘線，Y0～Y7分別用作8臺數顯儀表的數據線。PLC系統的驅動程序和圖5類似。由于多臺儀表的時鐘線是公共的，數據線是并行輸出的，因此多臺數顯儀表的數據刷新時間和其連接的數量無關，可以確保PLC系統數據顯示的實時性。

圖5 PLC系統和多臺數顯儀表的連接

5 結論

該數顯儀表無需知曉任何PLC系統的協議，僅使用PLC系統的n+1個輸出點即可實現在n臺數顯儀表上顯示其數據或參數。占用較少的PLC資源，既可擴充PLC系統的外圍顯示設備，又間接地解決了HMI無法適應惡劣工作環境等實際工程問題。該儀表已應用于垃圾發電12路遠程手操信號的顯示，應用結果表明其具有極高的可靠性和良好的可維護性。

本文作者創新點：該數顯儀表解決了PLC系統直接驅動數碼管占用太多資源的問題，間接地解決了基于PLC系統通信口的一類數顯儀表需要知曉通信協議等問題。