PLC輸入輸出接口測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、2012-07-13#2012-07-13#2#012-07-13#PLC 輸入輸出接口測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)車暢， 胡丹， 白晗東（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039）摘 要： 詳細(xì)介紹了一種基于 STC12C5410AD 單片機(jī)和上位機(jī)軟件的 PLC 自檢測(cè)和外圍設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)辦法，以及單片機(jī)軟件和上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)方法，模擬設(shè)計(jì)出了 PLC 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中所需要的模擬/數(shù)字輸入， 并且該測(cè)試系統(tǒng)的端口可以接受來(lái)自 PLC 的模擬/數(shù)字輸出。該系統(tǒng)可以模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì) PLC 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試， 另外也可對(duì) PLC 的教學(xué)和培訓(xùn)提供較大便利。關(guān)鍵詞：測(cè)試測(cè)量技術(shù)；PLC

2、 接口測(cè)試系統(tǒng)；功能分析；接口電路；RTU 模式中圖分類號(hào)：TP274+.5；TP334.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-5124（2011）03-0053-04Design oftest system for PLC input-output interfacesCHE Chang，HU Dan，BAI Han-dongof Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China）（SchoolAbstract:equipmentThis paper describes a hardware

3、circuit implemental method for testing peripheraland PLC input-output interfaces with the host computer and the STC12C5410AD MCU.Furthermore， it introduced the program design of MCU and that of the host computer. And itproposed analog/digital input needed for the local PLC adjustment through simulat

4、ion. At the same time，the designed testing system can receive the digital and analog signals from the PLC system.The testing system can simulate industry environment，beconvenient for PLC teaching and training.used to adjust the PLC system，and bemeasurement technology； PLCmodeinput -output interface；

5、 functional analysis；Key words: test and interface circuit；RTU引言另外在 PLC 的相關(guān)教學(xué)活動(dòng)中，由于學(xué)校的條件所限，不太可能提供完善的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)對(duì)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。這就造成僅能軟件仿真驗(yàn) 證 PLC 程序語(yǔ)法上是否正確和通過(guò)主觀來(lái)判斷 PLC 系統(tǒng)的功能是否都實(shí)現(xiàn)，使學(xué)習(xí)的效果打了折扣。該文所設(shè)計(jì)的 PLC 自檢測(cè)及外圍設(shè)備測(cè)試系 統(tǒng)是由基于單片機(jī)的模擬外圍設(shè)備的硬件電路部分 和測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)的軟件部分共同來(lái)模擬工控現(xiàn)場(chǎng) 的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，如圖 1 所示。硬件電路的主要作用是提 供系統(tǒng)和 PLC 的硬件接口電路，即提供 P

6、LC 所需要 的模擬/數(shù)字輸入和接受來(lái)自 PLC 的模擬/數(shù)字輸 出，并負(fù)責(zé) PLC 和測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù) 傳遞。上位機(jī)的軟件主要作用是通過(guò)接收到測(cè)試系0PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、接口模塊豐富且編程較為簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中被大量用于 自動(dòng)化控制。而 PLC 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)往往都需要對(duì)軟硬件進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，在調(diào)試的過(guò)程中除了要保證程序的正確性以外，更加重要的是確保軟硬件能 夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能。通常情況下，這就需要將 PLC 系統(tǒng)拿到實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，并針對(duì) 問(wèn)題做出相應(yīng)修改，然后再次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試。這樣 做雖然能收到比較好的調(diào)試效果，但是對(duì)于設(shè)計(jì)人 員每次調(diào)試必須

7、要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，系統(tǒng)的修改則要在 設(shè)計(jì)室進(jìn)行，很不方便，而且要花費(fèi)比較大的代價(jià)。收稿日期：2010-11-04；收到修改稿日期：2011-01-13統(tǒng)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)以簡(jiǎn)單的圖表形式來(lái)模擬反映出基金項(xiàng)目：四川省教育廳青年基金項(xiàng)目（2008ZB014）2012-07作-者1簡(jiǎn)3介#：車#暢#（1#97#9-）#，#女#，四#川#廣#元#市#人#，2講0師，1碩2士-，07P-LC1系3統(tǒng)#的#工#作#狀#態(tài)#，#2#據(jù)0此1就2可-以0知7道-原1P3L#C 程#序#進(jìn)行 PLC 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的目的，大大節(jié)約了人力物力，并可對(duì) PLC 的教學(xué)和培訓(xùn)提供較大便利。系統(tǒng) 的測(cè)試上位機(jī)軟件部分可采用高級(jí)語(yǔ)言

8、來(lái)編寫(xiě)實(shí) 現(xiàn)，也可以采用現(xiàn)成的通用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的 組態(tài)軟件具有豐富的空間資源和良好的圖形界面， 并且支持現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。PWM 和 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換。其中 PWM 可以作為D/A 使用1。用這種單片機(jī)作為模塊的 MCU，則每個(gè) 模塊都可以設(shè)計(jì)若干開(kāi)關(guān)量 I/O 口和模擬量 I/O 口， 而無(wú)需外部擴(kuò)展 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，將大大簡(jiǎn)化 硬件設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)由 2 個(gè)接口模塊組成，如圖 2 所示。每個(gè)模 塊通過(guò) Modbus 總線和上位機(jī)相連，Modbus 總線協(xié) 議作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總 線，目前有多種通用工業(yè)組態(tài)軟件都支持該協(xié)議。 標(biāo)準(zhǔn) Mod

9、bus 總線協(xié)議僅定義了串行鏈路上的通信 協(xié)議，并沒(méi)有對(duì)物理層進(jìn)行定義，可以用普通的 RS485 或者 RS232 接口來(lái)實(shí)現(xiàn) Modbus 串行鏈路協(xié) 議。采用 Modbus 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，這樣 的設(shè)計(jì)從通信質(zhì)量、降低成本和設(shè)計(jì)難度來(lái)考慮都 是可行的。端子硬接線圖1 系統(tǒng)應(yīng)用框圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常用的 PLC 包含 4 種接口，分別是開(kāi)關(guān)量輸入 口 DI、開(kāi)關(guān)量輸出口 DO、模擬量輸入口 AI、模擬量 輸出口 AO。不同種類的 PLC 包含不同數(shù)量的接口， 設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù) PLC 的不同，相應(yīng)設(shè)計(jì)出 不同特性和數(shù)量的 I/O 口。在普通的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

10、中，當(dāng)需要大量的 接口時(shí)，通常采用的方法是用單 MCU 擴(kuò)展接口芯 片。這種方法的缺點(diǎn)是如果需要的接口較多，那么 就要擴(kuò)展很多的接口芯片，造成 MCU 管理起來(lái)比較 復(fù)雜，給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都會(huì)帶來(lái)困難。該文在 設(shè)計(jì) PLC 自檢測(cè)及外圍設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，采用了一 種多 MCU 的模塊化擴(kuò)展方式。其實(shí)現(xiàn)的方法是，每 個(gè) MCU 都設(shè)計(jì)出一定數(shù)量的接口，不需要擴(kuò)展過(guò)多的接口芯片，這樣每個(gè) MCU 的軟硬件都是相對(duì)獨(dú)立的，而且由于每個(gè)模塊的硬件比較簡(jiǎn)單，軟件編 寫(xiě)也變得容易了。另外在設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的時(shí)候，將 每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)出一定數(shù)量的開(kāi)關(guān)量 I/O 和模擬 量 I/O 口，這樣做的好處是可以把每個(gè)模塊

11、都設(shè)計(jì) 成一樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)在和具體的 PLC 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試的 時(shí)候，那么只需要根據(jù)實(shí)際 PLC 的 I/O 口數(shù)量選擇 相應(yīng)接口模塊的數(shù)量，然后通過(guò)每個(gè)模塊具有的 RS232 接口和總線相連，并連接上位機(jī)。該文將設(shè)計(jì)一個(gè)具有 32 個(gè) DI、32 個(gè) DO、8 個(gè) AI、8 個(gè) AO 的 PLC 自檢測(cè)及測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如 圖 1 所示。選用 STC12C5410AD 單片機(jī)作為模塊的MCU，STC12C5410AD 單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的模塊1模塊2圖2PLC自檢測(cè)及測(cè)試系統(tǒng)原理框圖模塊電路設(shè)計(jì)該文中的 2 個(gè)模塊硬件結(jié)構(gòu)是一致的，每個(gè)模 塊將包含 16 個(gè) DI、16 個(gè) DO、4 個(gè) A

12、I、4 個(gè) AO?？紤] 到 單 片 機(jī) 的 IO 口 數(shù) 量 有 限 ，16 個(gè) DI 采 用 2 片74LS595 級(jí)聯(lián)，16 個(gè) DO 采用 2 片 74LS165 級(jí)聯(lián)，用 串口轉(zhuǎn)并口的方法實(shí)現(xiàn)2?？紤]到 PLC 的工作電壓 為 24 V，所以要進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換才能與單片機(jī)的 接口連接，該文使用光電耦合器 TLP521-4 來(lái)實(shí)現(xiàn) 開(kāi)關(guān)量電平的轉(zhuǎn)換2。4 個(gè) AI 用單片機(jī)內(nèi)部集成的 4 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn) 換來(lái)實(shí)現(xiàn)，4 個(gè) AO 用單片機(jī)內(nèi)部集成的 4 路 PWM 來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM 作為 D/A 使用時(shí)，必須加濾波電路，該 文采用兩級(jí)無(wú)源濾波電路將 MCU 輸出的 PWM 信1.2

13、8 位單片機(jī)，完全兼容傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)指令系2統(tǒng)0，接1口2的-0驅(qū)7動(dòng)-能1力3更#強(qiáng)#，#片#內(nèi)#集#成#復(fù)#位#電#路2、041路2-0號(hào)7轉(zhuǎn)-換1成30#5#V2#模0#擬1#電2#壓-#信0#號(hào)71-，如1圖3#3 所#示#。#上位機(jī)Modbus總線RS232RS232MCU STC12C5410ADMCU STC12C5410AD模擬量 輸入輸出開(kāi)關(guān)量 輸入輸出模擬量 輸入輸出開(kāi)關(guān)量 輸入輸出PLC系統(tǒng)PLC系統(tǒng) 上位機(jī)PLC自檢測(cè)及 外圍設(shè)備測(cè) 試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng) 上位機(jī)05VPWM+15 V104 F104 F420 mA 1 F 305 V2 RCVGND圖3 PWM轉(zhuǎn)換

14、為模擬信號(hào)電路RCV420在實(shí)際應(yīng)用中，為了和 PLC 的接口信號(hào)匹配，往往需要把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)。所 以需要在 AI 和 AO 接口之后接上信號(hào)調(diào)理電路， AI 之后接的信號(hào)調(diào)理電路作用是將 PLC 輸出的4 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為 05 V 電壓信號(hào)，電 路原理圖如圖 4（a）。與之相反，AO 之后的信號(hào)調(diào) 理電路的作用是將單片機(jī)輸出的 05 V 電壓信號(hào) 轉(zhuǎn)換為適合 PLC 的 420 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，電路 圖如圖 4（b）。圖 4（a）中的 RCV420 是 RURR -BROWN 公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片，用于將 420 mA 輸入 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 05

15、V 輸出信號(hào)3。圖 4（b）中 XTR110 是RURR-BROWN 公司推出的精密電壓電流變換器，它是專為模擬信號(hào)傳輸所設(shè)計(jì)的，可用于將 05 V或 010 V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換成 420 mA、020 mA、525 mA 或其他常用范圍的輸出電流。圖 4 中 R1、R2、R3、R4 的典型值分別為 100 k，31.6 ，49.9 k，100 k，R1 為失調(diào)調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)的方法是設(shè)置 輸入為非零的一個(gè)小電壓，調(diào)節(jié) R1 使輸出有一個(gè)正 確的電流值，然后使輸入為零，則輸出必將為零。R4 為跨度調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)的方法是設(shè)置輸入電壓為滿刻度+5 V，調(diào)節(jié) R4 使輸出電流達(dá)到滿刻度輸出電流 2

16、0 mA。需要注意的是跨度調(diào)節(jié)會(huì)影響到失調(diào)調(diào) 節(jié)，因此要反復(fù)調(diào)整以達(dá)到最佳狀態(tài)4。另外 RL 作為 負(fù)載，典型值為 250 ，通過(guò) RL 的信號(hào)為 420 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。-15 V（a）420 mA電流轉(zhuǎn)換為05 V電壓電路原理圖+15 V1 F05 V負(fù) 載 RL4（b）05 V電壓轉(zhuǎn)換為420 mA電流電路原理圖圖4 信號(hào)調(diào)理電路2.1 Modbus 協(xié)議Modbus 協(xié)議是一個(gè)主-從通信協(xié)議。在系統(tǒng)中有 一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和最多 247 個(gè)從節(jié)點(diǎn)（地址范圍 1247），從節(jié)點(diǎn)不能主動(dòng)發(fā)起通信請(qǐng)求，只有在接收到主節(jié) 點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)才能和主節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，另外從節(jié) 點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信。Modbu

17、s 定義了 ASCII 和 RTU（遠(yuǎn)程終端單元）2 種串行傳輸模式。使用 RTU 模式時(shí)，每幀數(shù)據(jù)由2個(gè) 4 位十六進(jìn)制數(shù)組成一個(gè) 8 位字節(jié)。這種模式的 優(yōu)點(diǎn)在于相同的波特率下單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘勘?ASCII 模式更多，但是必須以連續(xù)的字符流 傳輸每幀數(shù)據(jù)，這種情況下就要求系統(tǒng)有嚴(yán)格的定時(shí)管理，否則通信質(zhì)量無(wú)法保證9。而 ASCII 模 式則用 2 個(gè) ASCII 字符發(fā)送每幀數(shù)據(jù)中的一個(gè) 8 位 字節(jié)，信息效率比 RTU 模式低，但是對(duì)定時(shí)管理可以不必太嚴(yán)格。該文采用信息傳輸效率更高的 RTU模式。RTU 模式中一幀數(shù)據(jù)中的每個(gè)字節(jié)由 11 位組 成，其格式為 1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)

18、據(jù)位、1 個(gè)奇偶校 驗(yàn)位和 1 個(gè)停止位。如果不使用奇偶校驗(yàn)的話，包 含 2 個(gè)停止位。RTU 模式的幀結(jié)構(gòu)如表 1 所示，從 機(jī)地址若為 0 表示主節(jié)點(diǎn)對(duì)所有從節(jié)點(diǎn)的廣播，若 為 1247 的十進(jìn)制數(shù)則為被請(qǐng)求的從節(jié)點(diǎn)地址。數(shù) 據(jù)由主節(jié)點(diǎn)發(fā)往從節(jié)點(diǎn)時(shí)，功能碼告訴從節(jié)點(diǎn)主節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件和單 片機(jī)的系統(tǒng)軟件 2 部分內(nèi)容5-7。另外采用 Modbus 總 線將上位機(jī)和單片機(jī)接口模塊相連接，如圖 2 所示， 所以上位機(jī)軟件和單片機(jī)的系統(tǒng)軟件通信時(shí)都要 遵守 Modbus 協(xié)議。上位機(jī)軟件在系統(tǒng)中采用現(xiàn)有的 通用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì) PLC 系統(tǒng) 的虛

19、擬控制對(duì)象來(lái)代替工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際硬件，借助 組態(tài)界面觀察和檢驗(yàn) PLC 控制的過(guò)程和結(jié)果是否 正確，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修改8。單片機(jī)的工作就是管理接口以及和上位機(jī)交換2點(diǎn)向其提出的何種請(qǐng)求。當(dāng)數(shù)據(jù)由從節(jié)點(diǎn)發(fā)往主節(jié)數(shù)據(jù)，那么單片機(jī)系統(tǒng)軟件的核心部分就是按照2Mo0db1us2協(xié)-議0的7通-信1程3序#。#2012-0點(diǎn)7時(shí)-，1功3能#碼#則2#用0#來(lái)1#指2#示-#從0#節(jié)7點(diǎn)-的1響3#應(yīng)#是#否#有#錯(cuò)#誤#A01 +15VREFFRCV+ VREFSENVREFFRC SRC RESSRC SENIN1GT DRVIN2ZA VREFINZA SPAN ADIGND4mASPAN16mASP

20、AN16121MOSFER-P11 4513146R17 38R3210R2 9RXTR110AI+16+VRCV O RCV FBIN+ REF IN CT REF O IN- REF FBREFTR IMREFGND REF NR-V1415121110113875+4 1 F10 k10 k發(fā)生。數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度不允許超過(guò) 252 字節(jié)。CRC 是兩字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，對(duì)于保障通信的質(zhì)量非 常重要。表 1 RTU 幀結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，為了能及時(shí)響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求，從節(jié)點(diǎn)采用中斷的方式接收主節(jié)點(diǎn)發(fā) 送的數(shù)據(jù)。圖 5 就是串口中斷服務(wù)子程序。當(dāng)從站在 間隔至少 3.5 個(gè)字符的時(shí)間

21、間隔之后，由串口中斷 進(jìn)入服務(wù)子程序，首先應(yīng)該禁止串口中斷，并鑒別中 斷的種類，如果是接收中斷，接收到的一個(gè)字節(jié)是地 址碼，從站將和自身地址比對(duì)，如果是本站地址，將 繼續(xù)接收后續(xù)字節(jié)，并設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位和計(jì)數(shù)器，待 一幀數(shù)據(jù)接收完畢，開(kāi)串口中斷，返回；如果不是本 站地址就放棄返回；如果不是接收中斷，而是發(fā)送中 斷，就繼續(xù)將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，開(kāi)串口中斷，返回。從 節(jié) 點(diǎn) 地 址功 能 碼數(shù) 據(jù)CRC 校 驗(yàn)N 個(gè) 8bit8bit8bit16bitModbus 報(bào)文幀在傳輸?shù)倪^(guò)程中，為了讓接受方能完整正確的檢測(cè)出幀的開(kāi)頭和結(jié)尾，規(guī)定每一幀 數(shù)據(jù)的前后至少要有 3.5 個(gè)字符的間隔，并且每幀 數(shù)據(jù)傳

22、輸過(guò)程中應(yīng)該以連續(xù)的字符流發(fā)送，字符之間的間隔不能大于 1.5 個(gè)字符，保證這 2 個(gè)定時(shí)間 隔是保證 RTU 模式正常通信的前提。2.2 單片機(jī)系統(tǒng)通信程序在 PLC 自檢測(cè)及外圍設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 將上位機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)，單片機(jī)模塊作為從節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主結(jié)束語(yǔ)該文所設(shè)計(jì)的 PLC 自檢測(cè)及外圍設(shè)備測(cè)試系 統(tǒng)是基于單片機(jī)系統(tǒng)、Modbus 總線和上位機(jī)軟件來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。在對(duì) PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試的過(guò)程 中，能清楚地發(fā)現(xiàn) PLC 控制程序的問(wèn)題和錯(cuò)誤，并 做出相應(yīng)的修改。系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，提高了 PLC 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。另外所采用的模塊化接 口擴(kuò)展方法在單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，特別是對(duì) 于需要擴(kuò)展大量接口的場(chǎng)合，非常具有參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)3Y宏晶科技. STC12C5410AD 系列單片機(jī)器件手冊(cè)EB/OL.2010 -10 -26.http:/www.mcu - STC-AD-PDF/stc12c5410.pdf.黃惟公，鄧在中，王燕