基于可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)與分析

徐良雄

（武漢交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖北 武漢 430065）

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器廣泛用于脈沖波形的整形、定時(shí)、和延時(shí)，是電子儀器、通信專(zhuān)業(yè)中應(yīng)用極其廣泛的脈沖基本單元電路。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器要求：

1）電路只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。

2）如果沒(méi)有外加觸發(fā)脈沖的作用，電路將保持這一穩(wěn)定狀態(tài)不變，當(dāng)受到外加觸發(fā)脈沖作用時(shí)，電路能夠從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)狀態(tài)。

3）該暫態(tài)維持一段時(shí)間后又回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間長(zhǎng)短與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)[1]。

文中利用日本三菱公司，型號(hào)為FX2N-24MR的可編程控制器可方便的完成這一功能。與普通單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相比，該設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì):

1）構(gòu)成簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。改變程序和接線(xiàn)又可作其它用途。

2）程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，易于理解和掌握。

3）延遲精度高，延遲范圍不受限制，延遲時(shí)間通過(guò)軟件改變參數(shù)就可很方便地進(jìn)行調(diào)試，并獲得需要的時(shí)間延時(shí)信號(hào)，該延時(shí)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短可以隨意調(diào)節(jié)[2]。

1 設(shè) 計(jì)

首先以一個(gè)具體工作任務(wù)為目標(biāo)，看看整個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)全過(guò)程。該具體工作任務(wù)可表述為當(dāng)外部給出一個(gè)t2=1.0 s的低電平窄脈沖信號(hào)時(shí)，立即產(chǎn)生一個(gè)t1=10.0 s的低電平延時(shí)時(shí)間信號(hào)，當(dāng)t1=10.0 s的低電平延時(shí)時(shí)間信號(hào)實(shí)現(xiàn)以后再立即返回原穩(wěn)態(tài)的t1高電平狀態(tài)[3]。

采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC來(lái)實(shí)施這一工作任務(wù)。

1.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形

通過(guò)工作任務(wù)我們可以獲得如下的一組波形。

1）外部觸發(fā)窄脈沖t2=1.0 s，為低電平觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)完畢后返回高電平。

2）延時(shí)脈沖t1=10.0 s跟隨 t2立即觸發(fā)，達(dá)到10.0 s后返回初始高電平狀態(tài)。即波形如圖1所示。

圖1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形Fig.1 Single-shot waveform

1.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC設(shè)計(jì)

采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC設(shè)計(jì)時(shí)，起始狀態(tài)元件選擇S0，中間狀態(tài)元件選擇S20。t1=10.0 s的低電平持續(xù)時(shí)間繼電器采用T1，t2=1.0 s的低電平持續(xù)時(shí)間繼電器采用 T2，根據(jù) FX2N-24MR可編程控制器使用規(guī)則，T1的時(shí)間參數(shù)設(shè)置為T(mén)1K100，T2的時(shí)間參數(shù)設(shè)置為T(mén)2K10。據(jù)此我們可以畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC，如圖2所示。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC中，當(dāng)可編程控制器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，Y0為t2的外部窄脈沖輸出端和Y1為t1的輸出延遲時(shí)間輸出端被置高電平“1”，這一點(diǎn)是由SET Y0與SET Y1實(shí)現(xiàn)的，這與圖1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形的起始狀態(tài)一致。t2的外部觸發(fā)窄脈沖由X0實(shí)現(xiàn)。當(dāng)點(diǎn)動(dòng)X0后，Y2為高電平。條件Y2為高電平時(shí)，S20被激活，Y0、Y1被置“0”，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器開(kāi)始延時(shí)工作。Y2為低電平，等待下一次X0觸發(fā)脈沖的到來(lái)，為第二次觸發(fā)工作做好了準(zhǔn)備。時(shí)間繼電器T1與T2同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，T2時(shí)間繼電器觸發(fā)1.0 s以后，Y0被置“1”，觸發(fā)工作結(jié)束；時(shí)間繼電器T1計(jì)時(shí)10.0 s條件滿(mǎn)足后重新激活S0，Y0、Y1被置“1”回到起始狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時(shí)工作結(jié)束，等待著下一個(gè)周期的到來(lái)。X1點(diǎn)動(dòng)按鈕為隨時(shí)結(jié)束工作任務(wù)所設(shè)置。

圖2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFCFig.2 One-shot state transition diagram SFC

將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC變?yōu)榭梢詫?shí)施的梯形圖軟件后，就可以將它寫(xiě)入到計(jì)算機(jī)里面去了。由圖2的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖得到的梯形圖軟件如圖3所示。

圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器梯形圖Fig.3 One-shot ladder

1.3 I/O分配表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制所需的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，分配可編程控制器的輸入與輸出點(diǎn)，如表1所示。

表1 可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入輸出端口分配表Tab.1 Single-shot programmable controller input and output port allocation table

1.4 可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)施的接線(xiàn)圖

可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的實(shí)施最終要反映到三菱FX2N-24MR型可編程序控制器的輸入/輸出接線(xiàn)上，圖4為可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)施的接線(xiàn)圖。SB1為啟動(dòng)按鈕，SB2為停止按鈕，24 V直流電源為可編程控制器外加的直流電源[4]。Y0、Y1、Y2所接的指示燈為實(shí)驗(yàn)調(diào)試使用，待實(shí)驗(yàn)調(diào)試成功以后可用負(fù)載將它們替換掉。

圖4 可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器接線(xiàn)圖Fig.4 Single-shot programmable controller wiring diagram

2 運(yùn)行觀察程序

根據(jù)所設(shè)計(jì)的可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器梯形圖，采用型號(hào)為FX2N-24MR的可編程控制器。把可編程控制器方式開(kāi)關(guān)置于運(yùn)行“SHOP”檔，通過(guò)計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)線(xiàn)把程序?qū)懭氲娇删幊炭刂破髦?，再把可編程控制器方式開(kāi)關(guān)置于運(yùn)行“RUN”檔，會(huì)看到與Y0聯(lián)接的指示燈亮，點(diǎn)動(dòng)接通X0按鈕，Y0聯(lián)接的指示燈立即熄滅，1.0 s后又重新發(fā)亮，當(dāng)可編程控制器方式開(kāi)關(guān)置于運(yùn)行“RUN”檔時(shí)，與Y1聯(lián)接的指示燈也是發(fā)亮的，點(diǎn)動(dòng)接通X0按鈕時(shí)，Y1聯(lián)接的指示燈立即熄滅，10.0 s后，Y1聯(lián)接的指示燈會(huì)再次亮起，完成了一次t2外部窄脈沖觸發(fā) 1.0 s，t1輸出延遲時(shí)間輸出端延時(shí)10.0 s的工作任務(wù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等待著下一次工作任務(wù)的到來(lái)，再次接通X0點(diǎn)動(dòng)按鈕，Y0、Y1聯(lián)接的指示燈會(huì)再來(lái)一次循環(huán)[5]。按X1點(diǎn)動(dòng)按鈕可隨時(shí)結(jié)束工作任務(wù)，取消可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作任務(wù)的執(zhí)行。從而使本設(shè)計(jì)達(dá)到了工作任務(wù)所設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，將指示燈更換成負(fù)載就可以正常工作了，Y0輸出端為外部窄脈沖輸出，它顯示X0采集的信號(hào)結(jié)果，Y1輸出端為輸出延遲時(shí)間輸出，它控制著工作任務(wù)的實(shí)施，并體現(xiàn)著最終結(jié)果的完成。Y2輸出端為中間環(huán)節(jié)輸出端，起著結(jié)束S0步同時(shí)激活S20步的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

可編程控制器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)在延遲時(shí)間上嚴(yán)格按照時(shí)間繼電器T1、T2所設(shè)定的時(shí)間執(zhí)行延時(shí)和信號(hào)采集功能，因而延遲和信號(hào)采集時(shí)間的控制極其精確，這是任何其它集成電路芯片所構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能比擬的，因而，可編程控制器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延遲精度高[6]。

根據(jù)FX2N－24MR的時(shí)間設(shè)定規(guī)則，可編程控制器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延遲范圍直接設(shè)置使用可以在3 276.7 s，若要求延遲時(shí)間超過(guò)一個(gè)小時(shí)，可以采用時(shí)間繼電器[7]級(jí)聯(lián)，或者采用計(jì)數(shù)器和時(shí)間繼電器聯(lián)接，做這樣的處理可使延遲范圍不受限制，這更是一般單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器望塵莫及的。而且延遲時(shí)間可以通過(guò)軟件改變參數(shù)任意調(diào)節(jié)。方法如下：當(dāng)需要t1輸出延遲時(shí)間為我們所需要的T1s時(shí)，只需改變圖2和圖3軟件中的時(shí)間繼電器T1的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。操作方法是將T1時(shí)間繼電器中的參數(shù)K選擇為T(mén)1×10，t2的外部窄脈沖觸發(fā)波形僅僅由X0控制，不需要設(shè)置。但也可由時(shí)間繼電器T2來(lái)設(shè)置參數(shù)，操作方法是將T2時(shí)間繼電器中的參數(shù)K選擇為T(mén)2×10，修改好T1、T2時(shí)間繼電器中的參數(shù)K后再按前面所敘述的方法將程序?qū)懭氲娇删幊炭刂破鳟?dāng)中運(yùn)行，所要求的輸出延遲時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)了。

可編程控制器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由于可編程控制器的工作穩(wěn)定可靠性，使得它能夠在復(fù)雜惡劣的環(huán)境條件下正常工作，令人十分放心。當(dāng)需要可編程控制器有更加重要的工作任務(wù)去完成時(shí)，又可以很方便地用改變程序和接線(xiàn)的方法去完成賦予它的新任務(wù)，待需要它繼續(xù)完成前述的工作任務(wù)時(shí)又可以通過(guò)改變程序和接線(xiàn)的方法再次復(fù)原回來(lái)，因此工作十分方便。

可編程控制器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的程序編寫(xiě)也很簡(jiǎn)單，易于理解和掌握，本文嘗試了用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖SFC來(lái)實(shí)施了這一工作任務(wù)。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)及其分析，已經(jīng)清楚地看到使用可編程控制器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程方便，易于理解和掌握，工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。同時(shí)它還具有延遲精度高，延遲范圍不受限制，延時(shí)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短可以隨意調(diào)節(jié)，改變程序的參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用前景及其可觀并具有可操作性。實(shí)際上還可以用繼電邏輯和數(shù)字邏輯的方法編寫(xiě)程序也可方便地完成工作任務(wù)。

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