摘  要： 介紹了一種與單片機主從結(jié)構(gòu),、開放、模塊化,、低成本,、小型的可編程控制器(PLC)，建立了開放式可編程控制器的結(jié)構(gòu)模型,，選用51內(nèi)核單片機STC89C51作為PLC的處理器,，使用開發(fā)工具Borland C++ Builder設計開發(fā)PLC用戶編程界面，采用USB通信接口實現(xiàn)計算機與可編程控制器的連接,。
關鍵詞： 單片機,；開放式；PLC,；C++ Builder,；USB

　目前，國內(nèi)用戶選用的可編程控制器(PLC)仍以國外產(chǎn)品為主,，造成這種局面的一個重要原因是歐,、美、日等發(fā)達工業(yè)國家掌握了高端PLC的核心技術,，其硬軟件技術對應用者來說完全是封閉的,，使用者只能從應用的角度學習PLC，而不能參與PLC的開發(fā)[1-2],。近年來,，IEC61131-3國際標準的頒布和實施為各PLC生產(chǎn)廠家提供了統(tǒng)一的軟件開發(fā)準則，開放的高性能單片機技術的發(fā)展,，為硬件開發(fā)提供了有效的物質(zhì)基礎[3],。在這樣的背景下，研制開放的PLC系統(tǒng)無論對于科學研究還是促進PLC行業(yè)的發(fā)展都有積極的現(xiàn)實意義,。
　PLC是一種專用于工業(yè)控制的計算機,，其硬件主要由中央處理器、存儲器,、輸入/輸出接口等組成[4],，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 開放式可編程控制器
　開放式PLC硬件結(jié)構(gòu)采用CPU+外圍模塊+接口構(gòu)成,，各個接口都按標準設計,，大大提高了PLC的開放性，使其能方便地與大系統(tǒng)連接,。編程語言遵循國際標準IEC61131-3,，并將基于PC的編程軟件作為PLC首選編程工具。系統(tǒng)硬件部分采用高性能51內(nèi)核處理器STC89C51，其為模塊化設計,，采用濾波,、隔離電路，以降低成本,。主要電路有：微控制器STC89C51RC,、開關量輸入電路、繼電器輸出電路,、晶體管輸出電路,、RS232通信接口電路、電源電路,、時鐘復位電路和USB通信接口電路等,，PLC硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，軟件采用Borland公司集成開發(fā)軟件C++ Builder,，通過集成平臺對51內(nèi)核處理器指令集進行解釋,、編譯，使梯形圖語言轉(zhuǎn)換為能被51內(nèi)核處理器識別的代碼,。

2 系統(tǒng)硬件設計
　可編程控制器單片機部分電路圖如圖3所示,。

　USB通信部分選擇Philips公司的PDIUSBD12[5]芯片作為系統(tǒng)的USB接口器件，片內(nèi)集成了高性能USB接口電路,、SIE,、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等,，可與任何外部控制器或微處理器實現(xiàn)高速并行通信,，其速率為2 Mb/s，完全能夠滿足設計所要求的數(shù)據(jù)傳輸速度,。USB通信接口模塊電路如圖4所示,。

3 系統(tǒng)軟件設計
　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中,，系統(tǒng)編輯模塊為用戶提供編輯環(huán)境,，接收用戶的梯形圖程序輸入，并將其存儲為相應的文件,。梯形圖語言為一種圖形語言,，要直接對其進行編譯十分困難，因此并不是直接對梯形圖程序進行編譯,，而是先將其翻譯成指令語言的文本形式,，再對指令語言進行編譯。圖形語言編譯問題的解決,，提高了代碼的利用率[6-7],。通過提取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)，形成C語言程序文件,，經(jīng)過C51編譯器,、連接器、轉(zhuǎn)換器的編譯,、連接,、轉(zhuǎn)換過程，生成能夠在PLC硬件上運行的可執(zhí)行文件,。

3.1 用戶界面
　PLC用戶界面是實現(xiàn)可編程人機交互的重要部分,，它以梯形圖語言的形式錄入用戶控制程序，以二進制形式通過串口下載到PLC硬件,，其梯形圖表示的用戶編程區(qū)如圖6所示,。

　PLC在進行邏輯運算之前，必須對外部信號進行采樣[8],，若要實現(xiàn)指令的功能,，首先要設置外部I/O在梯形圖中的地址，系統(tǒng)才能夠?qū)τ脩舫绦蛑兴褂玫腎/O地址與單片機的引腳地址相匹配,。本設計在I/O設置對話框底層設計了如表1所示的數(shù)據(jù)處理函數(shù),。
3.2 USB通信
　PDIUSBD12的固件設計成完全的中斷驅(qū)動，當CPU處理前臺任務時,，USB的傳輸可在后臺進行,；后臺中斷服務程序和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換可以通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)。當PDIUSBD12從USB收到一個數(shù)據(jù)包,，即對CPU產(chǎn)生一個中斷請求,，CPU立刻響應中斷。在中斷服務程序中,，固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，并將PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)清零，以便接收新的數(shù)據(jù)包,，使CPU可以繼續(xù)執(zhí)行當前的前臺任務直到完成,。本文利用PDIUSBD12的端點1進行命令的傳輸和應答，端點1每次接收計算機發(fā)送過來的8 B指令,，其指令格式如表2所示,。例如，接收到十六進制碼52 01 00 03 00 07 00 50,，表示讀24C01器件從03字節(jié)開始的7個字節(jié)的數(shù)據(jù),。52H為R的ASCII碼，57H為W的ASCII碼,。端點2用于數(shù)據(jù)的傳輸,。
　本文在了解PLC國內(nèi)外研究狀況以及其市場需求的基礎上,，提出了研發(fā)開放式PLC的概念，完成了PLC集成開發(fā)系統(tǒng)的C51模塊實現(xiàn)方案的設計,，將USB通信方式引入PLC領域,，所設計的梯形圖編輯器提供了梯形圖編輯平臺，實現(xiàn)了PLC的基本邏輯指令,，完成計算機與控制器的USB通信,。
參考文獻
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