浅谈51内核单片机与FX系列PLC通信设想.doc

1、 浅谈51内核单片机与FX系列PLC通信设想摘要 分析了51内核单片机（AT89C51）和FX系列PLC串行通信接口的工作特性,介绍了FX系列PLC的通信协议及其与单片机通讯的设计思想，提出了两者之间实现串行通信的新概念, 重点阐述了串行通信硬件接口电路的实现方法,设计力求结构简单,成本低,具有良好的可靠性,有望在将来推广应用于实际工程项目中。关键词51内核单片机FX系列PLC 串行通信 接口电路1 引言可编程程序控制器(简称PLC)以其可靠性高、抗干扰强、开发周期短,已经成为一种较为普及的、适应多种应用环境的工业控制器。FX系列PLC是日本MITSUBISHI公司推出的超小型可编程控制器,采

2、用模块化结构,配有丰富的功能模块,具有体积小、配置灵活、应用广泛、性能价格比高等优点,在我国已大量应用于工业控制领域。AT89C51系列单片机是ATMEL公司推出的一种八位的高性能CMOS单片机，具有丰富的I/O功能,带有RAM、FPEROM和可编程串行通道等,适合工业环境使用,具有控制方式灵活，可靠性高。本文主要介绍AT89C51系列单片机与FX系列PLC之间的通信设计思想, 阐述其通信接口的实现方法,介绍一种实用的操作、显示单元。在PLC组成的工业控制设备中,用户多利用其并行接口进行功能的扩展,如键盘、显示等,这必然要占用大量的I/O点资源。其实,性能优良的PLC都应该配有高性能的串行接口

3、单元(SIU),用以专门负责高速的串行通信任务,不需要或仅需少量的CPU干涉。这样，可以将CPU解放出来集中解决数据处理或实时控制问题。三菱公司的FX系列PLC目前采用 RS422A通信口。这是一种典型的全双工串行通信方式,它除可以与计算机实现11的通信外,还可连接外围设备,如条码判读器、串行打印机等。若通过单片机与PLC进行通信,对PLC各寄存器进行读写,就可充分利用单片机成本低、扩展方便的特点,使PLC应用更具灵活性。2 接口电路设计FX系列PLC基本单元模块提供了一个RS-422异步全双工串行通讯口,该通讯口具有双重功能,较常用的一类功能是采用简易编程器、MEDOC软件包等编程软件对PL

4、C的软件进行下载、对PLC的内部状态和数据进行监控;另一类功能是与上位机进行数据通讯。由于AT89C51单片机的SCI口电平为TTL电平,与RS-422A标准不兼容,因此单片机的SCI口与PLC的串行口连接时需要增加一个电平转换电路,用于实现RS-232C与RS-422之间的相互转换。如图1所示。 RS422FX基本单元 SN75174 光耦AT89C51单片机 TXD T+/T- SN75175 光耦 R+/R- RXD 图1 接口电路设计图上图所示常用的RS-422总线驱动芯片为SN75174、SN75175。SN75174是发送器，SN75175是接收器，亦可用SN75176，它是集接收

5、器和发送器于一身的。给RS422A通信接口加装光电隔离电路（即光耦），可进一步提高PLC的抗干扰水平。 3 通信机制分析 三菱FX系列PLC在其内部有一个特殊功能寄存器D8120,可以根据其中的内容,按照一定的协议实现与单片机之间的通信.但必须事先对PLC编程写入D8120.三菱FX系列的PLC控制器,采用的是422电气接口,与单片机通信时采用的格式通常要满足：（1） 异步全双工串行通信模式；（2） 波特率9600bps； （3） 偶校验；（4） 帧校验:累加方式(和校验)；（5） 字符形式:ASCII码。每个ASCII码的最高位在发送时被用作该字符的奇偶校验位，即在被发送的一个字节中，只有b

6、0-b6表示实际发送的数据，而b7是奇偶校验位.发送一个字节的格式如图2所示：图2 发送字节格式起始位1位、数据位7位、偶校验位1位、停止位1位单片机与PLC按主从方式进行通讯,单片机可向PLC发通讯请求信号ENQ ,在收到PLC发回的响应信号后,开始数据通讯.通讯时,若干个字符组成一个字符信息帧,其帧格式如图三所示: 图3 信息帧格式 其中字符的含义分别为： 字符 ASCII码 含义 ENQ 05h 主机通讯请求 STX 02H 信息帧起始标志 ETX 03H 信息帧结束标志 CMD为单片机向PLC发送的命令字,以此来确定二者之间传送数据的含义,命令字有以下四种： “0”(30H) 读PLC

7、目标元件状态或数据（X, Y, M, S, T, C, D）命令 “1”(31H) 写PLC修改目标元件状态或数据（X, Y, M, S, T, C, D）命令 “7”(37H) 强制单个目标元件状态（Y, M, S, T, C）为ON “8”(38H) 强制单个目标元件状态（Y, M, S, T, C）为OFF清零命令 若无校验错误时，PLC对ENQ的应答信号为ACK，对应ASCII码为06H ；若检测到错误时，PLC对ENQ的应答信号为 NAK，对应ASCII码为15H。 开始通信时，发送帧中的每个字符都要进行偶校验，从CMD开始到ETX结束的所有ASCII码字符值累加在一起构成一个校验和

8、，如果校验和超过两位，取低两位，然后分别将低两位数值转换成对应的ASCII码值,在ETX后发送,高位在前,低位在后.4.通信代码应答过程 系统采用AT89C51单片机作为通信主站,FX系列PLC作为从站,其通讯代码应答过程如下:指令码30H-读取PLC元件X、Y、M、S、T、C状态和T、C、D数据通信格式为： 其中元件首址:表示PLC内部各元件类型及起始元件号。例如:Y0的首址为00A0H,M200的首址为0319H,D157的首址为113AH等。 字节数:从元件首址起,读取或写入PLC元件的数据个数。 数据1，2等:待写入或读取的PLC元件的状态(或数据)。例：若现需读取PLC的Y0-Y7,

9、Y10-Y17状态,2字节，则 其中:发送时30H+30H+30H+41H+30H+30H+32H+03H= 166H 取低两位，校验码为66H，转换成ASCII码，即为36H,36H 接收时31H+41H+43H+39H+03H=0F1H 校验码为F1H,转换成ASCII码，即为46H,31H 接收到数据1为1AH,对应状态Y7-Y0;数据2为C9H,对应Y17-Y10 因此可知PLC中的Y1、Y3、Y4、Y10、Y13、Y16、Y17状态为ON,其余为OFF。 例：若现需读取PLC的D124、D125数据,4字节，则 主机 PLC 起始码 指令码 元件首址字节数结束码校验码STX01 0

10、F 704 ETX7402H30H 31H30H46H37H 30H 34H 03H37H34H 同理，发送时30H+30H+31H+46H+37H+30H+34H+03H= 174H 取低两位，校验码为74H，转换成ASCII码，即为37H,34H PLC 主机起始码数据1数据2数据3数据4结束码校验码STX1 231H 32H4 A34H41H2 532H 35H8 C38H 43HETX9 E39H45H02H03H 接收时31H+32H+34H+41H+32H+35H+38H+43H+03H=19EH 校验码为9EH,转换成ASCII码，即为39H,45H 数据1为12H，数据2为4A

11、H,对应于D124的低八位和高八位数据3为25H，数据4为8CH,对应于D125的低八位和高八位因此可知PLC的数据寄存器D124和D125中数据为4A12H,8C25H.指令码31H-修改PLC元件X、Y、M、S、T、C状态和T、C、D数据 通信格式为:例:将数据B23CH、1AD4H分别写入PLC中的D123、D124元件,4字节。检验码为31H+31H+30H+46H+36H+30H+34H+33H+43H+42H+32H+44H+34H+31H+41H+03H=249H,取后两位，转换成ASCII码，得到34H,39H.5 AT89C51单片机的通信设置为了保证单片机与PLC的正常通信

12、,除了要了解清楚通信协议外,还必须正确设定其通信方式,即采用统一的波特率、起始位、数据位、停止位和偶校验位,据此建立双方通信的应答信号。AT89C51内部有一个全双工增强UART，TXD(P3.1)为发送端,RXD(P3.0)为接收端。AT89C51系列单片机的SCI工作方式由串行口控制寄存器(SCON)、波特率控制寄存器(PCON)设置决定，可用软件设置四种工作方式。通信工作方式中,方式1是标准的异步通信方式,此方式工作时,串行口为8位异步通信接口,每帧信息包括10位:1个起始位、8个数据位和1个停止位。波特率可变,由定时器T1或T2的溢出率和SMOD1的状态决定,在CPU的晶振为11.05

13、92MHz时波特率采用9600bps。单片机的通信参数设置如下:置寄存器T2CON为34H(定时器T2工作于波特率发生器方式);置寄存器TH2和RCAP2H为FFH,TL2和RCAP2L为D9H(波特率9600b/s);置寄存器SCON为50H(串口工作方式1,允许接收)。波特率控制寄存器一般只在复位后初始化时写入一次,以建立SCI通信波特率。6 AT89C51单片机通信流程单片机与PLC进行通信时，单片机具有传送优先权,单片机总是首先向PLC发出命令并启动通信,发送过程结束后,PLC立即作出响应然后将执行结果返回单片机,单片机接收由PLC发出的响应帧,二者以帧为单位轮流交换数据。PLC处于被

14、动通信,无需编制通信程序。单片机需要编制上位机通信程序,该程序可以发送命令帧和接收PLC发出的应答帧。其中主要包括:发送命令子程序、接收子程序、码制转换子程序(十六进制到ASCII码)、FCS帧校验子程序。AT89C51单片机SCI系统可以工作在查询方式也可以工作在中断方式下,在查询方式下,单片机作为主站可以根据实际需要随时与PLC从站通信,通过查询状态进行通信数据的相应接收或发送,其中TI为一帧数据发送完标志,RI为一帧数据接收完毕标志。但是,当主站任务繁忙时,则不宜采用查询方式,以免影响主站工作效率。在中断方式下,单片机不需要查询从站通信状态,当引发中断时,主站再通过查询接收和发送标志位进

15、行相应的接收和发送控制。因为PLC在运行模式下,写寄存器命令无效,而PLC上电后默认为运行模式,所以单片机在发送写通道命令前必须置PLC为监视模式或编程模式,命令结束后重置PLC为运行模式。通信软件框图如图4所示：7 结束语 串行通信是一种简单经济、应用广泛的通信方式,上述三菱公司的FX系列 PLC与AT89C51单片机之间的串行通信方法可以发挥PLC控制稳定可靠、抗干扰能力强的优势，又能发挥了单片机扩展灵活、适应性强的优点,使两者优势互补,并通过有协议的串行通讯成功地解决了单片机与PLC的数据交换问题。理论表明该方法简易实用、灵活方便、安全可靠、成本低廉,具有良好的社会效益和经济效益。本文的创新点在于该设计简易实用、安全可靠、成本低廉，解决了PLC与单片机的数据交换问题。参考文献:1、田书峰，李欣（ 2005,7）。，微计算机信息，微计算机信息杂志社。2、钟肇新,彭侃（1991）。， 华南理工大学出社。3、常斗南(1998)。 ， 北京机械工业出版社。4、李华(1993)。 ， 北京航空航天大学出版社。 5、忽略此处:忽略 中华工控网 .12