李英爽

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

1 PPI 通信協(xié)議系統(tǒng)

觸摸屏是近些年快速發(fā)展起來的一種全新的人間交互界面，它具有堅固的外殼，豐富的操作界面，以及標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。工業(yè)上觸摸屏的應(yīng)用可使人機交互更加直觀，且易于操作［1］。

本系統(tǒng)中觸摸屏和單片機仿照PPI 協(xié)議進行通信［2］。PPI 協(xié)議是西門子S7 -200 系列PLC 使用的一種獨有的通信協(xié)議。通過此協(xié)議，西門子S7 -200 系列PLC 可以與一些交互設(shè)備進行通信。PPI 協(xié)議最大特點就是使用此協(xié)議不需要再編寫PLC 的通信程序，這樣極大地節(jié)省了PLC 有限的程序存儲空間。所以很多與S7 -200 系列PLC 的交互設(shè)備都使用了PPI 協(xié)議，這些使用PPI 協(xié)議的交互設(shè)備一般不可移植到其他系列的設(shè)備中。本文通過Atmega128 模仿PPI 協(xié)議的通信方式，實現(xiàn)了觸摸屏使用PPI 協(xié)議與Atmega128 單片機的通信。

首先通過監(jiān)控西門子S7 -200 系列PLC 與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信，可以分析出PPI 協(xié)議通訊采用主從方式，主站向從站發(fā)送請求，從站做出應(yīng)答。主站收到應(yīng)答信息后發(fā)送確認(rèn)信息，從站收到確認(rèn)信息后完成讀寫操作并返回響應(yīng)的數(shù)據(jù)［3］。從站不主動發(fā)送信息，而是等候主站向其發(fā)送請求或查詢，按要求應(yīng)答。PPI 協(xié)議通訊設(shè)置采用8 個數(shù)據(jù)位，1個停止位，偶校驗位，波特率可自行選擇。主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送命令式，其格式為:起始符、數(shù)據(jù)長度、目標(biāo)地址、源地址、功能碼、目的服務(wù)存取點、源服務(wù)存取點、數(shù)據(jù)單元、校驗和、結(jié)束符。表1 即為典型PPI 協(xié)議幀格式的組成［4］。

PPI 協(xié)議可以實現(xiàn)1 次讀取、寫入1 個數(shù)據(jù)或多個數(shù)據(jù)。在PLC 內(nèi)部對不同的數(shù)據(jù)類型、不同存儲器類型進行操作時，具體的數(shù)據(jù)長度有所不同。本文以讀取西門子S7 -200系列PLC 一個V 存儲器的一個雙字節(jié)為例進行研究，具體的數(shù)據(jù)格式如表2 所示。

表1 PPI 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表2 觸摸屏讀取S7 -200 系列PLC 寄存器VD100 的指令格式

表2 中:SD 為起始符，固定為68H;LE、LEr 為從DA 到DU 的數(shù)據(jù)長度，以字節(jié)記，如果讀1 個數(shù)據(jù)，則始終為1BH;DA 為目的地址，默認(rèn)情況下，PLC 的地址為02H;SA 為源地址，默認(rèn)情況下，PC 機地址為00H，HMI 設(shè)備的地址為01H;FC 為功能碼，讀寫數(shù)據(jù)時可保持以上數(shù)據(jù)不變;CC 為目的服務(wù)存取點，讀寫數(shù)據(jù)時可保持以上數(shù)據(jù)不變;GU 為源服務(wù)存取點，讀寫數(shù)據(jù)時可保持以上數(shù)據(jù)不變;DU 為數(shù)據(jù)單元，包括讀取數(shù)據(jù)的長度、類型、地址;FSC 為校驗和，為DA 到DU 的數(shù)據(jù)和;ED 為結(jié)束符，始終為16H。

當(dāng)PLC 接收到如表2 的正確數(shù)據(jù)格式時，會返回給觸摸屏一個應(yīng)答信號E5H。當(dāng)觸摸屏收到E5H 后，發(fā)送確認(rèn)信息為10H 02H 00H 5CH 5EH 16H。當(dāng)PLC 接收到以上數(shù)據(jù)時會把相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給觸摸屏，若讀取的數(shù)據(jù)為1 個雙字節(jié)就會返回31 個字節(jié)，其中Byte［25］到Byte［28］就是要讀取的數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)都是高字節(jié)內(nèi)容在前。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本次設(shè)計采用威綸通MT6070IH 觸摸屏，其具有2 種通信方式:RS232 和RS485。在RS485 通信方式下，信號傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，同時擁有多機通信的功能，并且具有良好的抗干擾能力，所以觸摸屏與西門子S7 -200 系列PLC 通信方式為RS485 通信。本系統(tǒng)是用單片機代替西門子S7 -200 系列PLC，單片機與觸摸屏采用的通信方式為RS232 通信，其通信框圖如圖1 所示。ATmega 128 具有2 個串行通信端口，本研究用的是ATmega128 的RXD1(PD2)和TXD1(PD3)串行通信口，目標(biāo)是實現(xiàn)ATmega128 采集旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)，并把這個數(shù)據(jù)發(fā)送給觸摸屏來顯示。PE4 與PE5 用來讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)。

圖1 單片機部分硬件通信框圖

在觸摸屏與單片機數(shù)據(jù)通信時，可能會產(chǎn)生很多未知的問題。有時它們之間的發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)可能會發(fā)生錯亂。為了更好地實現(xiàn)他們之間的通信，根據(jù)RS485 通信的特點，用計算機串口調(diào)試助手來保存并監(jiān)控數(shù)據(jù)通信過程，進而分析單片機與觸摸屏之間的PPI 協(xié)議實現(xiàn)。監(jiān)控電路原理如圖2 所示。通過MAX485 芯片把差分信號轉(zhuǎn)換成RS485 信號，RS485 信號再通過MAX232 芯片轉(zhuǎn)換成RS232 信號，并通過串口把RS232 信號送給PC 機。通過串口調(diào)試助手把讀到的16 進制數(shù)據(jù)顯示出來。

圖2 PC 機監(jiān)控電路原理

3 軟件設(shè)計及調(diào)試方案

觸摸屏里已經(jīng)集成了PPI 協(xié)議，在編程時直接選擇西門子S7 -200 系列PLC 為編程對象，而單片機里沒有集成PPI協(xié)議，這里就要用單片機來仿做一個PPI 協(xié)議通信的過程。

前面已經(jīng)介紹過PPI 協(xié)議的特點，就是主設(shè)備發(fā)送查詢指令，從設(shè)備做出回應(yīng)，從設(shè)備不主動發(fā)送任何指令。本研究中觸摸屏主動發(fā)送指令，單片機對觸摸屏每次發(fā)送來的指令進行判斷，如果為正確指令則單片機做出相應(yīng)的回應(yīng)。當(dāng)觸摸屏得不到單片機的回應(yīng)時，觸摸屏?xí)粩嗟陌l(fā)送查詢指令。

單片機軟件部分設(shè)計包含2 部分:一部分為通信程序，包括串口通信初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)、中斷處理3 個模塊;另一部分為對旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)據(jù)采集程序，包括外部中段初始化、中斷處理。

串口通信程序流程如圖3 所示。初始化模塊完成串口的發(fā)送波特率、數(shù)據(jù)位個數(shù)等基本參數(shù)設(shè)定，并啟動引腳串行通信模式;數(shù)據(jù)收發(fā)對數(shù)據(jù)完成收發(fā)的操作過程;中斷過程完成對觸摸屏指令的分析，以做出正確的回應(yīng)。

圖3 串行通信流程

讀編碼器的程序流程如圖4 所示。初始化模塊完成對外部中斷的初始化、中斷觸發(fā)方式的設(shè)定;中斷程序是對編碼器發(fā)送來的脈沖信號做分析，判斷是加還是減，并把響應(yīng)數(shù)據(jù)賦給發(fā)送數(shù)據(jù)變量。

圖4 讀編碼器程序流程

當(dāng)單片機接收到觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)時，單片機會進入串口終端程序。串口中斷程序接收觸摸屏發(fā)來的所有數(shù)據(jù)，并存入數(shù)組，調(diào)用驗證函數(shù)進行數(shù)據(jù)驗證，看格式是否符合，解析出觸摸屏索要數(shù)據(jù)的類型及位置。如果數(shù)據(jù)格式正確就回復(fù)一個確認(rèn)碼E5H，若不正確就不做任何操作，等待重新接收數(shù)據(jù)。發(fā)送E5H 之后。觸摸屏?xí)祷匾唤M數(shù)據(jù)，若為10H 02H 00H 5CH 5EH 16H，則把旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)值賦給發(fā)送變量，并通過RS485 發(fā)送給觸摸屏。最終數(shù)據(jù)在觸摸屏上顯示出來。

在整個數(shù)據(jù)通信過程中用上位機檢測到的數(shù)據(jù)為:

1)觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù):16H 1BH 1BH 68H 02H 00H 6CH 32H 01H 00H 00H 00H 00H 00H 0EH 00H 00H 04H 01H 12H 0AH 10H 06H 00H 01H 00H 01H 84H 00H 03H 20H 8FH 16H。

2)單片機發(fā)送數(shù)據(jù):E5H。

3)觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù):10H 02H 00H 5CH 5EH 16H。

4)單片機發(fā)送數(shù)據(jù):68H 16H 16H 68H 00H 02H 08H 32H 03H 00H 00H 00H 00H 00H 02H 00H 05H 00H 00H 04H 01H FFH 04H 00H 08H 00H 00H 01H 10H 36H 16H。

以上為觸摸屏通過PPI 協(xié)議讀取一次數(shù)據(jù)的全過程，其中第4 次發(fā)送的數(shù)據(jù)第25 字節(jié)到第28 字節(jié)為讀取的數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前25 位，讀得的數(shù)據(jù)為272。

［1］吳興中，朱松林，彭新良.利用單片機實現(xiàn)對云臺的控制［J］.四川兵工學(xué)報，2011(3):71-73.

［2］郝莉，王東興.PROFIBUS 從站與S7-200PLC 的通訊研究［J］. 北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報:綜合版，2000(2):45-49.

［3］李冬清.S7-200 系列PLC 與監(jiān)控計算機通信實現(xiàn)方法［J］.冶金動力，2005(5):91-92.

［4］李紹民，潘登.S7-200PLC 與上位機的通信［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報，2009(3):209-211.