基于单片机的PLC系统的实现

引言

　　该系统cpu芯片使用了一种新型的51系列单片机即cygnal公司的c8051f040。其指令集与msc_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水线结构，其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25mips。

1 简介

　　可编程控制器（plc）作为继电控制盘的替代物，以极高的可靠性和应用方便等特点，成为当今用途最为广泛的工业控制器。现在它的应用已突破了当初逻辑控制的场合，深入到过程控制、位置控制、网络通讯等工程领域。本文根据某工程的实际需要，以三菱plc为模拟目标，提出了一种以单片机构建plc系统的思想。

2 系统构成

　　系统框图见图1。

　　该系统cpu芯片使用了一种新型的51系列单片机即cygnal公司的c8051f040。其指令集与msc_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水线结构，其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25mips。内部集成了64k flash rom、4352字ram、64位数据i/o口以及几乎所有的模拟与数字外设如：adc、dac、smbus、uart、can、spi、pca、电压比较器、温度传感气、可编程增益放大器等。开发工具采用标准的jtag接口，以边界扫描方式对cpu进行非入侵式全速的在系统调试。其性能较之传统51单片机有了很大的提高。

　　cpu和外部i/o接口之间采用光电耦合器件，实行强电和弱电隔离，切断现场干扰。计算机通过rs232串口与plc系统通信，将plc程序指令传送到plc。plc将接收到的指令保存到非易失性ram中。这样做即可以长期保存plc程序，又可以方便地随时修改程序。

3 plc程序的执行过程

　　常见plc以扫描方式工作。每次扫描的工作过程分为三步。

　　（1） 输入处理

　　程序执行前，plc将全部输入点的状态读到输入镜像寄存器。在程序执行过程中，plc不再读取这些输入点的状态，直到下一个扫描周期的输入处理。

　　（2） 程序处理

　　plc根据读入的外部输入状态和其它元件的状态执行用户程序。这时的输出指令只写到输出镜像寄存器，输出点的状态并没有发生变化。

　　（3） 输出处理 全部指令执行完毕，将输出寄存器的内容全部刷新到外部输出点。程序回到第一步工作过程。

　　本plc系统的工作过程与此相同。输入处理和输出处理用单片机实现起来比较容易，无需赘述。系统的关键是用户程序的处理。下面以三菱fx系列plc一个简单的例子来说明本plc系统对用户程序的处理方法。梯形图和相应的指令表见图2。

　　0:ld x000 9： ld x010

　　1:and x001 10:ld x011

　　2:and x002 11:and x012

　　3:ld x003 12:ld x013

　　4:or x004 13:and x014

　　5:anb 14:orb

　　6:out y000 15:or x015

　　7:or x006 16:anb

　　8:ld x010 17:out y001

　　首先分析指令 and x001，指令执行前有状态b，执行该指令时，将当前状态b和x001的状态进行与运算，形成状态c，这是指令andx002执行前状态。c是b的刷新值，它们实际上是一个变量。这个变量反映程序执行时当前的状态值。当遇到输出指令out y000时，就把当前状态值传送给输出寄存器。把and x001作为一单元块，可认为这个单元块有单输入单输出的结构。输入状态和单元块内元件的状态运算后得到输出状态。

　　再分析指令ld x003、or x004，如果将这两条指令组合后看作上述单输入单输出结构的单元块，执行前的状态为d，把x003、x004元件并联后的状态作为单元块内元件的状态，和d与运算后得到状态g.。但细化一步执行ldx003这个子单元块时，当前状态d需保存，取x003的状态作为当前状态值e，和x004或运算后得到f。执行anb时，把先保存的状态值d和状态值f与运算后得到新的当前状态值g。

　　这里执行ld与and产生区别是在于：and指令没有分支，而ld指令产生分支，程序执行前的状态值需要保存。同样，在遇到分支合并时，需要使用到先前保存的状态值。根据梯形图的编写规则，状态值的保存和使用是一种先进后出的结构，所以可以使用进栈和出栈的方法来实现。指令的具体实现过程归纳如下：凡是遇到产生分支的指令，例如ld指令，需将当前状态值进栈保存，取当前操作元件的状态作为当前状态值;凡是遇到分支合并的指令，例如orb、anb指令，需将栈顶值出栈与当前状态值运算成为新的当前状态值。

　　在具体实现时，采用了另一种形式的栈。由于三菱fx系列plc的ld连续使用不能超过八次，因此采用一个可以位寻址的片内ram字节作为栈空间来存放当前状态值。如果使用栈空间的最高位作为当前状态值，每次压栈就把该字节进行不带进位的循环右移，出栈时反之。在ld x000指令执行后，进栈状态a没有出栈，ld x010指令又进栈保存当前状态值，以前的压栈值a废之不用，即每条与母线相连的ld指令产生压栈值都不出栈。这样避免了因使用pushpop指令用一个字节的空间来保存一位的当前状态值造成的ram利用效率低的问题。

　　ld x010后的指令执行过程如下：ld x010 把当前状态值h压栈，取x010的状态作为当前状态值i;ld x011把当前状态值i压栈，取x011的状态作为当前状态值j;and x012 把当前状态值j和x012的状态与运算后得到当前状态值k;ld x013把当前状态值k压栈，取x013的状态作为当前状态值l;and x014把当前状态值l和x014的状态与运算后得到当前状态值m;orb 弹出压栈值k和当前状态值m或运算后得到新的当前状态值m;or x015把当前状态值m和x015的状态或运算后得到当前状态值n;anb弹出压栈值i和当前状态值n与运算后得到新的当前状态值o;outy002 把当前状态值写到y002的输出镜像寄存器。

4 检查程序

　　接收到程序后，在程序执行之前，还需对程序的语法正确性进行检查。这里只介绍与程序状态值栈相关指令的语法检查。

　　首先］需要设置一个位标志en_bus和一计数器ld_n。enbus表示下一指令能够与plc梯形图中的母线相连。计数器ld_n表示自与母线相连的指令之后由于ld指令引起的堆栈次数。检查程序之前，初始化如下：

　　en _bus=1

　　ld_n=1

　　检查程序时，如果遇到ld指令，程序流程如图3（a）;如果为orb或anb指令，则ld_n=ld_n-1;如果为out等与零母线相连的输出指令，程序流程如图3（b）。

　　这些基本操作执行后，如果检测到ld _n大于8，说明连续ld指令太多，程序状态值栈空间溢出;如果ld_n等于0，说明anb或orb指令数多于与ld指令，数量不匹配。还有些指令例如程序标号p、循环范围终止符next等必须与母线相连。如果这些指令出现在en_bus=0的情况下，说明该程序有错。

5 结束语

　　这种以单片机构建的plc系统成本低，系统可扩展性好，可以方便得加上a/d、d/a等功能，应用领域广泛。

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