趙修良 彭文斌 賀三軍 吳榮燕 劉麗艷 張嘉月

(南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001)

可編程邏輯控制器(PLC)用于工業(yè)控制可靠性高，抗干擾能力強，通信能力強，擴展模塊豐富等特點。西門子S7-200 CPU224XP PLC 具有2 路200KHz 的高速計數(shù)器輸入［1］。然而，在對具有隨機性的核脈沖信號進行計數(shù)時，PLC 的計數(shù)頻率過低會產(chǎn)生大量信號堆積而不能滿足系統(tǒng)要求。目前，西門子PLC 計數(shù)頻率達到105數(shù)量級的情況下，關于針對提高其計數(shù)頻率的問題的研究暫未展開。

本文提出了基于8254-2、單片機與PLC 的核脈沖計數(shù)系統(tǒng)，在某種程度上提高了PLC 計數(shù)頻率。

1 8254-2、單片機與PLC 計數(shù)系統(tǒng)

采用8254-2 計數(shù)器記錄一次儀表處理后的核脈沖，把記錄的核脈沖數(shù)送給單片機的同時，單片機控制8254-2 計數(shù)器的工作方式等;單片機把記錄下的數(shù)據(jù)通過串口通信的方式發(fā)送給PLC 進行數(shù)據(jù)處理。

1.1 8254-2 與單片機的連接電路

8254-2 是3 通道16 位可編程減法計數(shù)器，最高計數(shù)頻率10MHz，所有引腳都和TTL 兼容，具有CS、RD 和WR 控制線，D0-D7 的雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線、A0 和A1 地址線。其它CLK0-CLK2 為每個計數(shù)器的時鐘輸入引腳，GATE0-GATE2 為每個計數(shù)器的門控輸入引腳，OUT0-OUT2 為每個計數(shù)器的輸出引腳，當達到設定計數(shù)值時不同工作方式會產(chǎn)生不同的輸出波形。本文采用了其工作方式2:脈沖發(fā)生器，對輸入信號作N(計數(shù)器初值)次分頻，OUT 輸出連續(xù)的、寬度為1 個輸入脈沖周期的負脈沖［2］。

8254-2 與單片機的電路連接如圖1 所示。74LS373 鎖存低8 位地址;74LS154 將高位地址譯碼產(chǎn)生片選信號;單片機的ALE 引腳用來鎖存P0 口送出的低8 位地址;單片機的P1.3引腳控制GATE0 信號功能。

圖1 單片機與8254-2 計數(shù)器的連接電路

1.2 單片機與PLC 的串口連接電路

本文采用AT89C51 單片機，其串行口輸出的是TTL 電平，而PLC 只帶有RS-485 接口。因此，要與PLC 進行串口通信，必須完成TTL 到RS485 電平的轉(zhuǎn)換。本文選擇了MAX485芯片。

MAX485 接口芯片是Maxim 公司的一種RS-485 芯片。采用單一電源+5V 工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL 電平與RS-485 電平轉(zhuǎn)換的功能。RO 和DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端。當為邏輯0 時，器件處于接收狀態(tài);當DE 為邏輯1 時，器件處于發(fā)送狀態(tài);A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A 引腳的電平高于B 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當A 的電平低于B 端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0［3］。

與單片機連接時只需要一個信號控制MAX485 的接收和發(fā)送即可，同時將A 和B 端之間加匹配電阻R。A 和B 的另一端分別連PLC 自由端口PORT0 的8 號和3 號端。如圖2 所示。

圖2 PLC 與單片機通信接口電路

2 單片機與PLC 的串口通信

由于系統(tǒng)中AT89C51 單片機只是發(fā)送數(shù)據(jù)，PLC 單純接收數(shù)據(jù)，所以采用單工串行通信。

2.1 AT89C51 單片機通信功能介紹

AT89C51 是一個低功耗，高性能CMOS8 位單片機，它內(nèi)含1 個全雙工的串行通信口。本系統(tǒng)單純采用了AT89C51 單片機單工串口通信，利用串口中斷來完成發(fā)送數(shù)據(jù)功能。

2.2 PLC 自由方式通信介紹

S7-224XP PLC 是串口通信方式最豐富的小型PLC 之一，支持多種通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用其自由通信協(xié)議。自由通信協(xié)議又叫用戶定義協(xié)議，利用自由端口模式，可以實現(xiàn)用戶定義的通信協(xié)議，連接單片機。

在自由端口模式下，PLC 的串行通信接口由用戶來控制，通過語句表程序以及單片機的匯編語言進行配合，來使用完成中斷、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。這時單片機處于主機狀態(tài)，由單片機主動發(fā)送信息，PLC 接到信息完成數(shù)據(jù)處理即可。

2.3 PLC 與單片機的通信協(xié)議設計

PLC 采用自由端口模式協(xié)議，協(xié)議由語句表編程實現(xiàn);單片機使用異步發(fā)送模式，協(xié)議用匯編語言編程實現(xiàn)。

由于單片機與PLC 通信要求使用相同的波特率，且傳輸?shù)臄?shù)位相同，所以在單片機串口的初始化設置中將波特率的定時器1、串口的控制和中斷控制按如下步驟進行［4］:(1)確定定時器1 的工作方式:TMOD =20H;(2)確定定時器1 的初始值裝載:TH1 =0FDH;TL1 =0FDH;(3)啟動定時器1:TR1 =1;(4)確定串口的控制:SCON =52H;(5)計算波特率:選擇的晶振為11.0592MHz;波特率=2SMOD/32 ×定時器1 的溢出率(式中SMOD 為PCON 寄存器的最高位)，溢出率=11.0592/12，PCON=00H;得出串口波特率為9.6K。

字符信息格式為:1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1 位停止位［5］。

異步通信的字符信息格式如圖3 所示。

圖3 字符信息格式

數(shù)據(jù)位的發(fā)送順序為低位在前，高位在后。

3 程序流程

3.1 單片機程序流程

單片機系統(tǒng)的軟件設計包括了單片機對8254-2 計數(shù)器的計數(shù)方式控制和與PLC 的異步串行通信發(fā)送程序。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 單片機程序流程圖

3.2 PLC 程序流程

PLC 系統(tǒng)軟件的設計包括了串口通信接收程序和數(shù)據(jù)處理程序。流程圖如圖5～圖7。

4 總結

由8254-2 計數(shù)器、AT89C51 單片機以及S7-224XP PLC為核心的核脈沖計數(shù)系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)了PLC 穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的特點;也發(fā)揮了單片機靈活性高的、易擴展的特性;更是綜合了8254-2 可編程計數(shù)芯片的高頻率計數(shù)的優(yōu)勢，使三者優(yōu)勢互補。實驗證明，該系統(tǒng)具有靈活性高，實用性強，開發(fā)成本低等特點，且在某種程度上提高了PLC 計數(shù)頻率，使PLC 得到更廣泛的應用。

［1］西門子(中國)有限公司深入淺出西門子S7-200 PLC［M］.北京航空航天大學出版社，2003.

［2］鄭學堅，周斌.微型計算機原理及應用(第三版)［M］.清華大學出版社，2007.

［3］徐建軍.MCS-51 系列單片機應用及接口技術［M］.人民郵電出版社，2003.

［4］邴春秋等.基于PLC 和單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設計［J］.西華大學學報，2007，26(6):8-9.

［5］劉文濤.單片機語言C51 程序設計［M］.北京:原子能出版社，2004.