随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。其中,PLC和单片机在小规模控制系统中获得了广泛的应用。
在塑料挤出机温度自动控制中,选用S7-200系列PLC作为主控器件,PIC16F877单片机作为温度数据采集和模数转换芯片,单片机通过通信端口将数据传输给PLC,由于采用了RS-485接口标准,传输距离可达1000m。PLC经过PID运算后控制加热圈以保持温度恒定。下面结合实例就PLC和单片机的通信实现做一下介绍。
2、硬件构成
2.1、PIC16F877单片机
Microchip公司的PIC16F877单片机采用哈佛总线结构和精简指令集技术,具有功耗低、运行速度高、驱动能力强和外接电路简洁的特点。PIC16F877单片机内部集成了串行通信模块即通用同步/异步收发器USART模块,主要应用目标是系统之间的远距离串行通信。USART模块所需的两条引脚是RC6和RC7,如图1所示,当发送允许位TXEN被置1,就可以把发送数据写入TXREG寄存器来完成发送。
2.2、S7-200系列PLC
S7-200系列PLC通信端口采用异步串行通信方式,通信端口标准采用平衡驱动、差分接受的RS485接口标准,可以组成半双工串行通信网络,构成分布式系统,系统中最多可以有32个站。S7-200支持多种串行通信协议,利用自由端口模式,可以通过语句表或梯形图编程,实现用户定义的通信协议,很方便地连接不同厂家的智能设备。在自由端口模式下,可以连续地发送或接收255个字节以内的数据,这在大块数据通信时是很方便的。
2.3、MAX485E芯片
MAX485E芯片是RS-485接口标准专用通信芯片,如图1所示,RO脚为数据输出脚,它接收RS-485的差模信号VAB,并转换为TTL电平由RO输出,RE脚为RO的使能端,低电平时选通RO,输出有效。DI脚为数据输入端,它将TTL电平的数据转换为差模信号VAB,并由A、B两脚输送出去,DE是DI使能端,高电平选通DI,输入有效。故A、B两脚既是RS-485信号输入端,同时也是该信号的输出端,关键是由使能端RE、DE的电平来决定。
2.4、硬件连接图
S7-200PLC采用RS-485接口标准,接收差模信号,而PIC16F877单片机的输出为TTL电平,所以二者在通信时必须先进行转换,本系统采用MAX485E芯片作为转换芯片,硬件连接如图1所示。由PIC16F877单片机的RC4选择数据的输入或输出。
3、通信协议
本项目中由于PIC16F877单片机只是发送数据,PLC单纯接收数据,所以采用单工串行通信。PLC采用自由端口模式协议,协议由语句表编程实现;单片机使用USART模块的异步发送模式,协议用汇编语言编程实现。由PIC16F877单片机的发送缓冲结构可知,一次只能连续发送两个字节的数据,故PLC采用字符接收完成中断比较方便。接口标准采用与PLC侧一致的RS-485,接头采用9针D形连接器,传输线采用屏蔽双绞线,单片机侧的发送数据需经转换后再发送。
字符信息格式为:1位起始位,8位数据位,无校验位,1位停止位。
数据位的发送顺序为低位在前,高位在后。
异步通信的传输速率即波特率选择为38400bit/s。为提高数据传输的可靠性,采用异或校验,报文采用定长发送,前四个字节参加异或校验,报文的最后一个字节为校验码。PIC16F877单片机的模数转换精度为10位,故温度值采用双字节保存。
4、初始设置
4.1、PIC16F877单片机发送数据初始设置
PIC16F877单片机内部集成的USART模块使用的波特率应该和S7-200PLC相同,当采用高速波特率时,波特率寄存器SPBRG由下式计算:
SPBRG=F/(16&TImes;波特率)-1
式中:F———单片机时钟频率。
单片机的数据位、校验位、停止位要和PLC统一。
PIC16F877单片机最多只能连续发送两个字节的数据。其初始设置汇编语言程序如下:
LISTP=16F877A;伪指令
INCLUDE“P16F877A.INC”;伪指令
;-------------------体1设置子程序-------------------
T1BCFSTATUS,RP1;
BSFSTATUS,RP0;体1
MOVLWD′5′;38400bit/s
MOVWFSPBRG;
MOVLWB′00100100′;异步,发送使能
MOVWFTXSTA;高速,8位数据
MOVLWB′11101111′;RC6,RC7,
MOVWFTRISC;RC4通信
CLRFINTCON;禁止中断
RETURN;子程序返回
;-------------------体0设置子程序-------------------
T0BCFSTATUS,RP0;体0
BSFPORTC,4;RC4=1通信
MOVLWB′10000000′;使能串口
RETURN;子程序返回
4.2S7-200PLC接收数据初始设置
CPU处于STOP模式时,自由端口模式被禁止,使用其它模式的通信,例如与编程设备的通信。只有CPU处于RUN模式时,才能使用自由端口模式。如果使用通信端口0通信,将通过特殊存储器SMB30进行初始设置。
Network1
LDSM0.7//若为RUN模式
EU//上升沿
OSM0.1//或首次扫描
MOVB16#01,SMB30//38400bit/s,8,N,1
ATCHINT0,8//中断与int0连接
ENI//允许中断
Network2
LDNSM0.7//若非RUN模式
EU//上升沿
RSM30.0,1//设置为PPI协议
DTCH8//禁止中断
5、通信程序
5.1、PIC16F877单片机发送数据通信程序
报文采用定长发送,每一帧报文由五个字节组成,每一温度值都经数字滤波后再发送。由于温度值变化缓慢,对通信的实时性要求较低,在发送数据通信程序中加入了较多的延时程序。由于波特率时钟依赖于系统时基振荡器,所以单片机进入睡眠状态时不能进行异步通信。单片机发送N个测温点温度数据通信程序流程图如图3所示。
图3 单片机程序流程图
5.2、S7-200PLC接收数据通信程序
PLC采用字符接收完成中断接收数据,通过起始字节判断接收数据帧的开始,由数据长度决定接收数据帧的结束,采用异或校验提高接收数据的可靠性,S7-200PLC在接收完一帧数据后计算出接收到数据的异或校验码,并与单片机传送过来的校验码比较,如果不同就舍弃,不要求重发。本应用中传送数据为温度值,舍弃后接收下一个数据即可。PLC接收数据通信程序流程图如图4~图6所示。
6、结论
由PIC16F877单片机和S7-200PLC组成的串行通信系统,采用平衡驱动、差分接收的RS-485接口标准,与TTL电平兼容,具有开发简单、成本低的优点,经过试用证明性能稳定、运行可靠、抗干扰能力强。如果需要,也可以进行半双工通信或略作改动组成多机通信网络。
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