單片機(jī)與plc串口通訊,
1 引言
PLC因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制的主要支柱之一。而單片機(jī)因?yàn)槌杀镜土?，使用靈活，功能多樣，在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用及其廣泛，往往在一個(gè)控制系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)和PLC共存的情況，如果使二者互相聯(lián)系，互相通信，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 硬件以及通訊原理分析
西門(mén)子S7-200系列PLC擁有RS-485串行口，所以要使MCS51單片機(jī)與S7-PLC進(jìn)行通訊，可以采用幾種通訊方式。其中之一就是可以通過(guò)MCS-51的串行口與MAX485芯片相接，然后與S7-200 PLC的RS-485口進(jìn)行通訊，其硬件連接如圖1所示。
S7-200 PLC是串行通訊方式最為豐富的小型PLC，支持多種通信協(xié)議，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議（PPI協(xié)議）、多點(diǎn)接口協(xié)議（MPI協(xié)議）和PROFIBUS協(xié)議以及自由通信協(xié)議等。其中自由通信協(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，連接多種智能設(shè)備，使用起來(lái)非常方便，在第三方工程接入中取得了巨大的成功。
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)梯形圖程序以及和單片機(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)送握手信號(hào)，PLC接到信號(hào)后被動(dòng)反饋信息即可。
3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
定義根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)參考資料，定義協(xié)議結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
（1）通信波特率為9.6kbps，無(wú)校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)可編程位，1位起始位，1位停止位。
（2）定義通信協(xié)議的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的格式為起始碼、命令碼、元件首址、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊、BCC校驗(yàn)碼和結(jié)束碼。
● 起始碼：表示單片機(jī)與PLC開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)流第一個(gè)字符，告訴PLC開(kāi)始進(jìn)行通信了，可以用00H表示
● 命令碼：表示單片機(jī)對(duì)PLC的各種操作：
40H：讀取目標(biāo)元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
41H：修改目標(biāo)元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
42H：強(qiáng)制目標(biāo)單元為ON；
43H：強(qiáng)制目標(biāo)單元為OFF；
● 元件首址：表示PLC內(nèi)部的元件類型以及寄存器的地址（但不能表示一個(gè)位地址）。前兩個(gè)字節(jié)表示寄存器類型，后兩個(gè)字節(jié)表示寄存器號(hào)。00 00（H）：I寄存器區(qū) 01 00（H）：Q寄存器區(qū)。02 00（H）：M寄存器區(qū) 08 00（H）：V寄存器區(qū)；
● 字節(jié)數(shù)：從元件首地址起，讀取或?qū)懭隤LC元件的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)塊：準(zhǔn)備讀取或者寫(xiě)入PLC的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
● BCC校驗(yàn)碼：在傳輸過(guò)程中，指令有可能受到任何的干擾而使原來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生扭曲，此時(shí)的指令當(dāng)然是錯(cuò)誤的，為了偵測(cè)指令在傳輸過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤，接收方必須對(duì)指令作進(jìn)一步的確認(rèn)工作，以防止錯(cuò)誤的指令被執(zhí)行，最簡(jiǎn)單的方法就是使用校驗(yàn)碼。BCC校驗(yàn)碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和，并將此異或和作為指令的一部分傳送出去；同樣地，接收方在接到指令后，以相同的方式對(duì)接收到的字符串作異或和，并與傳送方所送過(guò)來(lái)的值作對(duì)比，若其值相等，則代表接收到的指令是正確的，反之則是錯(cuò)誤的
● 結(jié)束碼：結(jié)束字符標(biāo)志著指令的結(jié)束，在本例中被定義為FFH，不同的PLC從站可以定義不同的結(jié)束字符以接收針對(duì)該P(yáng)LC的指令。
3.2 通信程序的實(shí)現(xiàn)
（1）單片機(jī)端程序的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在主程序中初始化，采用串行口工作方式3[2]，波特率為9.6kbps，采用單片機(jī)作為主機(jī)，向PLC進(jìn)行呼叫，定期讀取數(shù)據(jù)或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)，其程序流程圖參見(jiàn)圖2。
（2）PLC端程序流程圖的實(shí)現(xiàn)。PLC端作為從機(jī)，采用梯形圖或者STL編程，主要是先設(shè)置通訊協(xié)議，然后按照協(xié)議把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再發(fā)送給主機(jī)單片機(jī)，其具體的程序流程圖如圖3所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文利用單片機(jī)與PLC的串行通信方法，成功的應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目中，實(shí)際表明該方法簡(jiǎn)單可靠，成本低，而且易于擴(kuò)充經(jīng)濟(jì)實(shí)用的其它功能，如A/D、D/A等功能，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
PLC因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制的主要支柱之一。而單片機(jī)因?yàn)槌杀镜土?，使用靈活，功能多樣，在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用及其廣泛，往往在一個(gè)控制系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)和PLC共存的情況，如果使二者互相聯(lián)系，互相通信，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 硬件以及通訊原理分析
西門(mén)子S7-200系列PLC擁有RS-485串行口，所以要使MCS51單片機(jī)與S7-PLC進(jìn)行通訊，可以采用幾種通訊方式。其中之一就是可以通過(guò)MCS-51的串行口與MAX485芯片相接，然后與S7-200 PLC的RS-485口進(jìn)行通訊，其硬件連接如圖1所示。
S7-200 PLC是串行通訊方式最為豐富的小型PLC，支持多種通信協(xié)議，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議（PPI協(xié)議）、多點(diǎn)接口協(xié)議（MPI協(xié)議）和PROFIBUS協(xié)議以及自由通信協(xié)議等。其中自由通信協(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，連接多種智能設(shè)備，使用起來(lái)非常方便，在第三方工程接入中取得了巨大的成功。
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)梯形圖程序以及和單片機(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)送握手信號(hào)，PLC接到信號(hào)后被動(dòng)反饋信息即可。
3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
定義根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)參考資料，定義協(xié)議結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
（1）通信波特率為9.6kbps，無(wú)校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)可編程位，1位起始位，1位停止位。
（2）定義通信協(xié)議的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的格式為起始碼、命令碼、元件首址、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊、BCC校驗(yàn)碼和結(jié)束碼。
● 起始碼：表示單片機(jī)與PLC開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)流第一個(gè)字符，告訴PLC開(kāi)始進(jìn)行通信了，可以用00H表示
● 命令碼：表示單片機(jī)對(duì)PLC的各種操作：
40H：讀取目標(biāo)元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
41H：修改目標(biāo)元件 I、Q、V、M、SM、L、T、C等的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
42H：強(qiáng)制目標(biāo)單元為ON；
43H：強(qiáng)制目標(biāo)單元為OFF；
● 元件首址：表示PLC內(nèi)部的元件類型以及寄存器的地址（但不能表示一個(gè)位地址）。前兩個(gè)字節(jié)表示寄存器類型，后兩個(gè)字節(jié)表示寄存器號(hào)。00 00（H）：I寄存器區(qū) 01 00（H）：Q寄存器區(qū)。02 00（H）：M寄存器區(qū) 08 00（H）：V寄存器區(qū)；
● 字節(jié)數(shù)：從元件首地址起，讀取或?qū)懭隤LC元件的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)塊：準(zhǔn)備讀取或者寫(xiě)入PLC的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；
● BCC校驗(yàn)碼：在傳輸過(guò)程中，指令有可能受到任何的干擾而使原來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生扭曲，此時(shí)的指令當(dāng)然是錯(cuò)誤的，為了偵測(cè)指令在傳輸過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤，接收方必須對(duì)指令作進(jìn)一步的確認(rèn)工作，以防止錯(cuò)誤的指令被執(zhí)行，最簡(jiǎn)單的方法就是使用校驗(yàn)碼。BCC校驗(yàn)碼的方法就是將要傳送的字符串的ASCII碼以字節(jié)為單位作異或和，并將此異或和作為指令的一部分傳送出去；同樣地，接收方在接到指令后，以相同的方式對(duì)接收到的字符串作異或和，并與傳送方所送過(guò)來(lái)的值作對(duì)比，若其值相等，則代表接收到的指令是正確的，反之則是錯(cuò)誤的
● 結(jié)束碼：結(jié)束字符標(biāo)志著指令的結(jié)束，在本例中被定義為FFH，不同的PLC從站可以定義不同的結(jié)束字符以接收針對(duì)該P(yáng)LC的指令。
3.2 通信程序的實(shí)現(xiàn)
（1）單片機(jī)端程序的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在主程序中初始化，采用串行口工作方式3[2]，波特率為9.6kbps，采用單片機(jī)作為主機(jī)，向PLC進(jìn)行呼叫，定期讀取數(shù)據(jù)或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)，其程序流程圖參見(jiàn)圖2。
（2）PLC端程序流程圖的實(shí)現(xiàn)。PLC端作為從機(jī)，采用梯形圖或者STL編程，主要是先設(shè)置通訊協(xié)議，然后按照協(xié)議把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再發(fā)送給主機(jī)單片機(jī)，其具體的程序流程圖如圖3所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文利用單片機(jī)與PLC的串行通信方法，成功的應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目中，實(shí)際表明該方法簡(jiǎn)單可靠，成本低，而且易于擴(kuò)充經(jīng)濟(jì)實(shí)用的其它功能，如A/D、D/A等功能，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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