单片机与ＰＬＣ串行通信在自动灌装封尾机中的应用

引言 自动灌装封尾机控制仪是自动灌装封尾机的人机操作界面。操作者可通过控制仪上的相应按键控制系统的启动、停止；进行手动、自动操作的切换；可对相关参数进行设定，并可通过键盘进行手动操作。这些操作通过ＰＬＣ与ＭＣＳ－５１之间的串行通信作用于ＰＬＣ。本文将对该控制仪的设计方案和软、硬件构成进行介绍。 ２ 控制仪设计思路 该封尾机控制仪的操作、显示单元采用ＭＣＳ－５１单片机作为系统的ＣＰＵ，外接三线串行液晶显示模块ＬＣＭ０４５和控制键盘。键盘的三个主要功能包括：手动状态的手动操作，自动状态的状态切换，参数的设定。控制仪对封尾机的控制通过单片机?控制仪ＣＰＵ?与ＰＬＣ?封尾机控制元件?之间的通讯来实现。 ２．１ 控制仪按键简介 该封尾机控制仪的控制界面有１０个按键，完成所有外部输入工作。其中４＃～９＃键为多功能复用键，在手动操作时分别为转位气缸、灌装头、料阀、料缸和封头的点动操作键；在自动运行时分别为复位、启动、停止、增加、减少和设定按键。按键的多功能复用缩小了控制仪的体积，并使操作更为方便、直观。 ２．２ 通信的实现 如上所述，控制仪对封尾机的控制通过单片机?控制仪ＣＰＵ?与ＰＬＣ?封尾机控制元件?之间的通讯来实现。这里采用ＭＣＳ－５１单片机和施耐德电器公司的Ｎａｎｏ系列ＰＬＣ，通过通信协议来实现两者间的通信。 ２．２．１ 单片机的串行口设置 ＭＣＳ－５１内部有一个全双工的串行口，ＴＸＤ?Ｐ３．１?为发送端，ＲＸＤ?Ｐ３．０?为接收端。它是可编程接口，对它的初始化只要用两个控制字分别写入特殊功能寄存器ＳＣＯＮ和电源控制寄存器ＰＣＯＮ中即可。在用软件设置的四种通信工作方式中，方式１是标准的异步通信方式，在此工作方式下，串行口为８位异步通信接口，特别适合集成的点对点连结接口的８位数据传输。每帧信息包括１０位：１个起始位、８位数据位和１个停止位。波特率由定时器Ｔ１的溢出率和串行口控制器ＳＭＯＤ的状态确定，在ＣＰＵ的晶振为１１．０５９２ＭＨｚ时，波特率采用４８００ｂｐｓ。单片机的初始化程序如下： ｍｏｖ ｓｃｏｎ?＃５０ｈ ?１?８?１?Ｎ ｍｏｖ ｔｍｏｄ?＃２１ｈ ?Ｔ１?ＭＯＤ２ ｍｏｖ ｐｃｏｎ?＃８０ｈ ?ＳＭＯＤ＝１ ｍｏｖ ｔｈ１?＃ｏｆ３ｈ ?ＢＰＳ＝４８００ｂｐｓ ｍｏｖ ｔ１１?＃ｏｆ３ｈ ｃｌｒ ｅａ ?清中断 ｃｌｒ ｅｓ ｃｌｒ ｅｔｌ ｓｅｔｂ ｔｒ１ ?开定时器 ２．２．２ ＰＬＣ的端口设置 施耐德的ＮａｎｏＰＬＣ是通过设置扩展口来实现串行接口，系统采用ＭＣＳ－５１单片机作为Ｍｏｄｂｕｓ通信网络主站，ＮａｎｏＰＬＣ作为从站。通信格式设置如下：波特率４８００ｂｐｓ?８位数据位，１位停止位，无奇偶校验。如图２所示： ２．２．３ 系统的通信协议 ＮａｎｏＰＬＣ采用Ｍｏｄｕｂｓ通信协议。任何根据此通信协议进行通信的主、从机之间进行数据信息交换时，信息格式都必须遵守通信协议所规定的格式。Ｍｏｄｂｕｓ的数据交换模式有两种，一种为ＡＳＣＩＩ编码制，一种为ＲＴＵ编码制。前者适用于高级语言编程的计算机，后者适用于机器语言编程的计算机。本例采用ＲＴＵ码传输模式，它包括一些特殊标志码、ＰＬＣ站号、呼叫字和校验码等，其数据帧格式如下〖１〗： 帧开始 从站地址 功能号 数据区 校验码 帧结束 ?ＣＲＣ? Ｔ１－Ｔ２－Ｔ３－Ｔ４ 一个字节 一个字节 Ｎ个字节 两个字节 Ｔ１－Ｔ２－Ｔ３－Ｔ４ ?１? 帧开始：数据帧以至少３．５个字符间隔时间?Ｔ１－Ｔ２－Ｔ３－Ｔ４?标志开始和结束。整个信息帧必须以连续的信号进行传输，从而保证ＣＲＣ的校验正确。 ?２? 从站地址：一个字节。各从站识别码，站号取值范围０１Ｈ－Ｆ７Ｈ，共有２４７种不同站。但Ｎａｎｏ系列ＰＬＣ通讯网络最多允许３２个从站。 ?３? 功能号：一个字节。表示主站对从站的各种操作工作，主机发功能号给从机，如果从机响应正常，则回送相同的功能码；如有错误发生，则将原功能码符合位置１后回送，并将错误代码写入数据区回送。各功能号具体功能如下： ０１或０２：读ｎ个内部位％Ｍｉ ０３或０４：读ｎ个内部字％Ｍｗｉ ０５：写１个内部位％Ｍｉ ０６：写１个内部字％Ｍｗｉ １５：写ｎ个内部位％Ｍｉ １６：写ｎ个内部字％Ｍｗｉ ?４? 数据区：数据区由一系列两位１６进制数据组成，从００Ｈ－ＦＦＨ。结果通信正确，数据区存放ＰＬＣ回应上位机的信息；如发送数据有误，则返回异常代码。 ＮａｎｏＰＬＣ处理的两种异常代码： ０１：功能未知?ＰＬＣ不支持的请求? 如发送：０１Ｈ １６Ｈ ００Ｈ ００Ｈ ＦＦＨ ００Ｈ ０９Ｈ Ｆ９Ｈ 返回：０１Ｈ ９６Ｈ ０１Ｈ ８ＥＨ ６０Ｈ ０３：无效数据?位或字的数据错误，如写位时数据既非１６＃ＦＦ００?又非１６＃００００? 如发送：０１Ｈ ０５Ｈ ００Ｈ ００Ｈ ０３Ｈ ０６Ｈ ４ＤＨ ３８Ｈ 返回：０１Ｈ ８５Ｈ ０３Ｈ ０２Ｈ ９１Ｈ ?５? 校验码：二个字节。采用ＣＲＣ循环冗余码。它的基本原理是将一段信息看成一个很长的二进制数，然后用一个特定的数?如１１０２１Ｈ?去除它，最后将余数作为校验码附在信息代码之后一起传送?或存储?，在进行接收?或读出?时进行同样的处理，如有差错就可发现。需特别注意的是，如果发送信息中的ＣＲＣ校验码计算错误，则通信不能成功。 ３ 系统硬件构成 自动灌装封尾机控制仪的操作、显示单元采用ＭＣＳ－５１单片机作为系统的ＣＰＵ，外接三线串行液晶显示模块ＬＣＭ０４５和控制键盘，ＰＬＣ与单片机之间的通信采用Ｍｏｄｂｕｓ通信协议。系统的硬件构成如图２所示： ４ 软件设计 单片机程序的初始化等准备工作在主程序中完成，所有按键功能和通信的实现通过键盘服务子程序来完成，通过触发外部中断０来转入键盘服务子程序，下面分别对主程序和键盘子程序进行介绍。 ４．１ 主程序介绍 主程序中的初始化主要包括对液晶显示模块ＬＣＭ０４５各工作寄存器的初始化；对单片机串行口控制字、控制寄存器的初始化；两个定时器工作模式、控制寄存器的初始化；各内部寄存器的初始化。 在系统运行的初始状态，封尾机控制仪的工作和指示状态为规定的默认状态，并与ＰＬＣ保持一致；考虑到在实际工作中如果单片机与ＰＬＣ不同步上电，仍必须使控制仪的指示状态与ＰＬＣ的运行状态一致，在单片机程序的开始应该根据ＰＬＣ内部的一些标志位对ＰＬＣ的当前运行状态进行判断，确定ＰＬＣ当前状态后，点亮或熄灭控制仪的相应指示灯。对ＰＬＣ标志位的读取通过单片机与ＰＬＣ间的串行通信来实现。 封尾机自动控制仪的显示屏幕在有按键输入时，显示按键操作的结果或数值的经过值；当没有按键输入时，根据要求显示器显示为加工工件的当班数。所以此时要求单片机与ＰＬＣ进行串行通信，单片机不断读取ＰＬＣ内部字的值，并通过ＬＣＭ０４５显示。整个程序的流程图如下所示： ４．２ 键盘子程序介绍 封尾机自动控制仪的键盘共有１０个按键，各按键的作用不同，所对应的键盘服务子程序也各不相同，应该注意的是因为有的按键为多功能复用健，所以在键盘程序中应先对相应的标志位进行判断，以确定应该执行哪一种功能。 ５ 通信的几个问题 ?１? 因为用键盘对系统进行控制，所以必须保证通信过程的准确性和实时性。首先，应在确保上一数据通信准确完成的基础上，才能进行下一个数据的传送，所以需要根据ＰＬＣ的反馈数据进行判断、处理。下面以对ＰＬＣ内部位％Ｍ１２４的处理为例来进行说明?键按下时％Ｍ１２４置１，键松开时％Ｍ１２４置０?，单片机向ＰＬＣ发送ＯＦＦＨ?置１?，％Ｍ１２４若置１则反馈为０ＦＦＨ，否则，单片机重发０ＦＦＨ；若％Ｍ１２４已经置１，则查询按键是否松开，若未松开，则反复查询；若已松开，单片机向ＰＬＣ发送００Ｈ，过程同上。程序流程图如下所示： ?２? 在实际应用中由于干扰或一些外界因素的影响，可能会造成通信的中断，使接收标志位Ｒｉ不能置１。若单片机的串行通信采用的是查询方式，接收标志位Ｒｉ不能置１，则会造成单片机程序一直等待在这里，无法继续执行。所以，出于程序可靠性的考虑，必须避免这种情况发生。这里采用启动定时器中断的方法，即在串行接收子程序中的开始启动定时器中断０，启动定时并装入定时器初值；当等待Ｒｉ置１的时间等于定时值时，启动定时器０中断；在定时器０中断服务程序中利用软件使Ｒｉ置１；在串行接收子程序中的结束关闭定时器中断０。相关处理程序如下： ｉｎ? ｓｅｔｂ ｅｔ０ ?启动定时器中断０ ｓｅｔｂ ｔｒ０ ?启动定时 ｍｏｖ ｔｈ０?＃００ｈ ?装入定时器初值 ｍｏｖ ｔ１０?＃００ｈ ｓｅｔｂ ｒｅｎ ｃｌｒ ｒｉ ｊｂｊ ｒｉ?＄ ?等待Ｒｉ置１ ｃｌｒ ｒｉ ｍｏｖ ａ?ｓｂｕｆ ｍｏｖ ｒ０?ａ ｃｌｒ ｅｔ０ ?关闭定时器中断０ ｒｅｔ ｒｅｓｅｔ?ｓｅｔｂ ｒ ｉ?定时器０中断服务子程序 ｒｅｔｉ ６ 结束语 用单片机为ＣＰＵ，液晶显示模块为显示器，通过串行通信与ＰＬＣ进行通信的自动灌装封尾机控制仪小巧美观，易于安装，开发方便，性能稳定可靠。