PLC输入输出接口测试系统设计

1、2012-07-13#2012-07-13#2#012-07-13#PLC 输入输出接口测试系统设计车畅， 胡丹， 白晗东（西华大学机械工程与自动化学院，四川 成都 610039）摘 要： 详细介绍了一种基于 STC12C5410AD 单片机和上位机软件的 PLC 自检测和外围设备测试系统的硬件电路实现办法，以及单片机软件和上位机软件的实现方法，模拟设计出了 PLC 现场调试过程中所需要的模拟/数字输入， 并且该测试系统的端口可以接受来自 PLC 的模拟/数字输出。该系统可以模拟工业现场环境，对 PLC 系统进行调试， 另外也可对 PLC 的教学和培训提供较大便利。关键词：测试测量技术；PLC

2、 接口测试系统；功能分析；接口电路；RTU 模式中图分类号：TP274+.5；TP334.4文献标志码：A文章编号：1674-5124（2011）03-0053-04Design oftest system for PLC input-output interfacesCHE Chang，HU Dan，BAI Han-dongof Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China）（SchoolAbstract:equipmentThis paper describes a hardware

3、circuit implemental method for testing peripheraland PLC input-output interfaces with the host computer and the STC12C5410AD MCU.Furthermore， it introduced the program design of MCU and that of the host computer. And itproposed analog/digital input needed for the local PLC adjustment through simulat

4、ion. At the same time，the designed testing system can receive the digital and analog signals from the PLC system.The testing system can simulate industry environment，beconvenient for PLC teaching and training.used to adjust the PLC system，and bemeasurement technology； PLCmodeinput -output interface；

5、 functional analysis；Key words: test and interface circuit；RTU引言另外在 PLC 的相关教学活动中，由于学校的条件所限，不太可能提供完善的工业现场环境来对PLC 系统进行联机调试。这就造成仅能软件仿真验 证 PLC 程序语法上是否正确和通过主观来判断 PLC 系统的功能是否都实现，使学习的效果打了折扣。该文所设计的 PLC 自检测及外围设备测试系 统是由基于单片机的模拟外围设备的硬件电路部分 和测试系统上位机的软件部分共同来模拟工控现场 的现场环境，如图 1 所示。硬件电路的主要作用是提 供系统和 PLC 的硬件接口电路，即提供 P

6、LC 所需要 的模拟/数字输入和接受来自 PLC 的模拟/数字输 出，并负责 PLC 和测试系统上位机软件之间的数据 传递。上位机的软件主要作用是通过接收到测试系0PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、接口模块丰富且编程较为简便等优点在工业现场中被大量用于 自动化控制。而 PLC 控制系统的开发往往都需要对软硬件进行反复的调试，在调试的过程中除了要保证程序的正确性以外，更加重要的是确保软硬件能 够实现预定的功能。通常情况下，这就需要将 PLC 系统拿到实际的工业现场中进行联机调试，并针对 问题做出相应修改，然后再次到现场进行调试。这样 做虽然能收到比较好的调试效果，但是对于设计人 员每次调试必须

7、要在现场进行，系统的修改则要在 设计室进行，很不方便，而且要花费比较大的代价。收稿日期：2010-11-04；收到修改稿日期：2011-01-13统发送来的数据以简单的图表形式来模拟反映出基金项目：四川省教育厅青年基金项目（2008ZB014）2012-07作-者1简3介#：车#畅#（1#97#9-）#，#女#，四#川#广#元#市#人#，2讲0师，1硕2士-，07P-LC1系3统#的#工#作#状#态#，#2#据0此1就2可-以0知7道-原1P3L#C 程#序#进行 PLC 系统现场调试的目的，大大节约了人力物力，并可对 PLC 的教学和培训提供较大便利。系统 的测试上位机软件部分可采用高级语言

8、来编写实 现，也可以采用现成的通用组态软件来实现，目前的 组态软件具有丰富的空间资源和良好的图形界面， 并且支持现场总线通信协议。PWM 和 8 路 10 位 A/D 转换。其中 PWM 可以作为D/A 使用1。用这种单片机作为模块的 MCU，则每个 模块都可以设计若干开关量 I/O 口和模拟量 I/O 口， 而无需外部扩展 A/D 和 D/A 转换芯片，将大大简化 硬件设计工作。系统由 2 个接口模块组成，如图 2 所示。每个模 块通过 Modbus 总线和上位机相连，Modbus 总线协 议作为一种广泛应用于工业自动化领域的现场总 线，目前有多种通用工业组态软件都支持该协议。 标准 Mod

9、bus 总线协议仅定义了串行链路上的通信 协议，并没有对物理层进行定义，可以用普通的 RS485 或者 RS232 接口来实现 Modbus 串行链路协 议。采用 Modbus 总线来实现系统的总体构架，这样 的设计从通信质量、降低成本和设计难度来考虑都 是可行的。端子硬接线图1 系统应用框图1 系统硬件设计1.1 系统结构常用的 PLC 包含 4 种接口，分别是开关量输入 口 DI、开关量输出口 DO、模拟量输入口 AI、模拟量 输出口 AO。不同种类的 PLC 包含不同数量的接口， 设计该系统时，需要根据 PLC 的不同，相应设计出 不同特性和数量的 I/O 口。在普通的单片机应用系统设计

10、中，当需要大量的 接口时，通常采用的方法是用单 MCU 扩展接口芯 片。这种方法的缺点是如果需要的接口较多，那么 就要扩展很多的接口芯片，造成 MCU 管理起来比较 复杂，给系统的软硬件设计都会带来困难。该文在 设计 PLC 自检测及外围设备测试系统时，采用了一 种多 MCU 的模块化扩展方式。其实现的方法是，每 个 MCU 都设计出一定数量的接口，不需要扩展过多的接口芯片，这样每个 MCU 的软硬件都是相对独立的，而且由于每个模块的硬件比较简单，软件编 写也变得容易了。另外在设计每个模块的时候，将 每个模块都设计出一定数量的开关量 I/O 和模拟 量 I/O 口，这样做的好处是可以把每个模块

11、都设计 成一样的结构，当在和具体的 PLC 系统联机调试的 时候，那么只需要根据实际 PLC 的 I/O 口数量选择 相应接口模块的数量，然后通过每个模块具有的 RS232 接口和总线相连，并连接上位机。该文将设计一个具有 32 个 DI、32 个 DO、8 个 AI、8 个 AO 的 PLC 自检测及测试系统。系统框图如 图 1 所示。选用 STC12C5410AD 单片机作为模块的MCU，STC12C5410AD 单片机是宏晶科技生产的模块1模块2图2PLC自检测及测试系统原理框图模块电路设计该文中的 2 个模块硬件结构是一致的，每个模 块将包含 16 个 DI、16 个 DO、4 个 A

12、I、4 个 AO。考虑 到 单 片 机 的 IO 口 数 量 有 限 ，16 个 DI 采 用 2 片74LS595 级联，16 个 DO 采用 2 片 74LS165 级联，用 串口转并口的方法实现2。考虑到 PLC 的工作电压 为 24 V，所以要进行接口电平转换才能与单片机的 接口连接，该文使用光电耦合器 TLP521-4 来实现 开关量电平的转换2。4 个 AI 用单片机内部集成的 4 路 10 位 A/D 转 换来实现，4 个 AO 用单片机内部集成的 4 路 PWM 来实现。PWM 作为 D/A 使用时，必须加滤波电路，该 文采用两级无源滤波电路将 MCU 输出的 PWM 信1.2

13、8 位单片机，完全兼容传统的 8051 单片机指令系2统0，接1口2的-0驱7动-能1力3更#强#，#片#内#集#成#复#位#电#路2、041路2-0号7转-换1成30#5#V2#模0#拟1#电2#压-#信0#号71-，如1图3#3 所#示#。#上位机Modbus总线RS232RS232MCU STC12C5410ADMCU STC12C5410AD模拟量 输入输出开关量 输入输出模拟量 输入输出开关量 输入输出PLC系统PLC系统 上位机PLC自检测及 外围设备测 试系统测试系统 上位机05VPWM+15 V104 F104 F420 mA 1 F 305 V2 RCVGND图3 PWM转换

14、为模拟信号电路RCV420在实际应用中，为了和 PLC 的接口信号匹配，往往需要把模拟电压信号转换为模拟电流信号。所 以需要在 AI 和 AO 接口之后接上信号调理电路， AI 之后接的信号调理电路作用是将 PLC 输出的4 20 mA 标准电流信号转换为 05 V 电压信号，电 路原理图如图 4（a）。与之相反，AO 之后的信号调 理电路的作用是将单片机输出的 05 V 电压信号 转换为适合 PLC 的 420 mA 标准电流信号，电路 图如图 4（b）。图 4（a）中的 RCV420 是 RURR -BROWN 公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将 420 mA 输入 信号转换为 05

15、V 输出信号3。图 4（b）中 XTR110 是RURR-BROWN 公司推出的精密电压电流变换器，它是专为模拟信号传输所设计的，可用于将 05 V或 010 V 的输入电压转换成 420 mA、020 mA、525 mA 或其他常用范围的输出电流。图 4 中 R1、R2、R3、R4 的典型值分别为 100 k，31.6 ，49.9 k，100 k，R1 为失调调节电位器，调节的方法是设置 输入为非零的一个小电压，调节 R1 使输出有一个正 确的电流值，然后使输入为零，则输出必将为零。R4 为跨度调节电位器，调节的方法是设置输入电压为满刻度+5 V，调节 R4 使输出电流达到满刻度输出电流 2

16、0 mA。需要注意的是跨度调节会影响到失调调 节，因此要反复调整以达到最佳状态4。另外 RL 作为 负载，典型值为 250 ，通过 RL 的信号为 420 mA 标准电流信号。-15 V（a）420 mA电流转换为05 V电压电路原理图+15 V1 F05 V负 载 RL4（b）05 V电压转换为420 mA电流电路原理图图4 信号调理电路2.1 Modbus 协议Modbus 协议是一个主-从通信协议。在系统中有 一个主节点和最多 247 个从节点（地址范围 1247），从节点不能主动发起通信请求，只有在接收到主节 点的请求时才能和主节点之间传输数据，另外从节 点之间不能进行通信。Modbu

17、s 定义了 ASCII 和 RTU（远程终端单元）2 种串行传输模式。使用 RTU 模式时，每帧数据由2个 4 位十六进制数组成一个 8 位字节。这种模式的 优点在于相同的波特率下单位时间内传输的信息量比 ASCII 模式更多，但是必须以连续的字符流 传输每帧数据，这种情况下就要求系统有严格的定时管理，否则通信质量无法保证9。而 ASCII 模 式则用 2 个 ASCII 字符发送每帧数据中的一个 8 位 字节，信息效率比 RTU 模式低，但是对定时管理可以不必太严格。该文采用信息传输效率更高的 RTU模式。RTU 模式中一帧数据中的每个字节由 11 位组 成，其格式为 1 个起始位、8 个数

18、据位、1 个奇偶校 验位和 1 个停止位。如果不使用奇偶校验的话，包 含 2 个停止位。RTU 模式的帧结构如表 1 所示，从 机地址若为 0 表示主节点对所有从节点的广播，若 为 1247 的十进制数则为被请求的从节点地址。数 据由主节点发往从节点时，功能码告诉从节点主节系统软件设计系统的软件设计包含测试系统上位机软件和单 片机的系统软件 2 部分内容5-7。另外采用 Modbus 总 线将上位机和单片机接口模块相连接，如图 2 所示， 所以上位机软件和单片机的系统软件通信时都要 遵守 Modbus 协议。上位机软件在系统中采用现有的 通用组态软件来实现。利用组态软件设计 PLC 系统 的虚

19、拟控制对象来代替工业现场的实际硬件，借助 组态界面观察和检验 PLC 控制的过程和结果是否 正确，并对错误进行修改8。单片机的工作就是管理接口以及和上位机交换2点向其提出的何种请求。当数据由从节点发往主节数据，那么单片机系统软件的核心部分就是按照2Mo0db1us2协-议0的7通-信1程3序#。#2012-0点7时-，1功3能#码#则2#用0#来1#指2#示-#从0#节7点-的1响3#应#是#否#有#错#误#A01 +15VREFFRCV+ VREFSENVREFFRC SRC RESSRC SENIN1GT DRVIN2ZA VREFINZA SPAN ADIGND4mASPAN16mASP

20、AN16121MOSFER-P11 4513146R17 38R3210R2 9RXTR110AI+16+VRCV O RCV FBIN+ REF IN CT REF O IN- REF FBREFTR IMREFGND REF NR-V1415121110113875+4 1 F10 k10 k发生。数据段的长度不允许超过 252 字节。CRC 是两字节的循环冗余校验码，对于保障通信的质量非 常重要。表 1 RTU 帧结构节点向从节点发出请求时，为了能及时响应主节点发送的请求，从节点采用中断的方式接收主节点发 送的数据。图 5 就是串口中断服务子程序。当从站在 间隔至少 3.5 个字符的时间

21、间隔之后，由串口中断 进入服务子程序，首先应该禁止串口中断，并鉴别中 断的种类，如果是接收中断，接收到的一个字节是地 址码，从站将和自身地址比对，如果是本站地址，将 继续接收后续字节，并设置相应标志位和计数器，待 一帧数据接收完毕，开串口中断，返回；如果不是本 站地址就放弃返回；如果不是接收中断，而是发送中 断，就继续将一帧数据发送完毕，开串口中断，返回。从 节 点 地 址功 能 码数 据CRC 校 验N 个 8bit8bit8bit16bitModbus 报文帧在传输的过程中，为了让接受方能完整正确的检测出帧的开头和结尾，规定每一帧 数据的前后至少要有 3.5 个字符的间隔，并且每帧 数据传

22、输过程中应该以连续的字符流发送，字符之间的间隔不能大于 1.5 个字符，保证这 2 个定时间 隔是保证 RTU 模式正常通信的前提。2.2 单片机系统通信程序在 PLC 自检测及外围设备测试系统的设计中， 将上位机作为主节点，单片机模块作为从节点。当主结束语该文所设计的 PLC 自检测及外围设备测试系 统是基于单片机系统、Modbus 总线和上位机软件来 实现的。在对 PLC 控制系统进行联机调试的过程 中，能清楚地发现 PLC 控制程序的问题和错误，并 做出相应的修改。系统稳定，运行效果良好，提高了 PLC 控制系统的开发效率。另外所采用的模块化接 口扩展方法在单片机系统的开发设计中，特别是对 于需要扩展大量接口的场合，非常具有参考价值。参考文献3Y宏晶科技. STC12C5410AD 系列单片机器件手册EB/OL.2010 -10 -26.http:/www.mcu - STC-AD-PDF/stc12c5410.pdf.黄惟公，邓在中，王燕