簡(jiǎn)易微型控制器的開(kāi)發(fā)

許 明， 劉 旭， 王 學(xué) 俊

（1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連港旅順港務(wù)有限公司 工程技術(shù)部，遼寧 大連 116052）

0 引 言

目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC 以其強(qiáng)大的功能、完善的指令系統(tǒng)占據(jù)著大規(guī)模、大批量生產(chǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合；而在小規(guī)模生產(chǎn)控制場(chǎng)合中，單片機(jī)以其超低的成本價(jià)格被絕大多數(shù)人所認(rèn)可［1］。但在較小規(guī)模自動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合中，采用PLC控制會(huì)增加控制成本，如果利用單片機(jī)控制則會(huì)帶來(lái)編程復(fù)雜、延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期等問(wèn)題。針對(duì)上述情況，作者研發(fā)了一種適用于較小規(guī)模自動(dòng)控制場(chǎng)合的微型控制器。

微型控制器以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)數(shù)字量輸入、輸出模塊與外部工業(yè)設(shè)備連接，完成簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字量的采集、輸出等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部工業(yè)設(shè)備控制的目的。

1 系統(tǒng)配置

微型控制器主要由PC機(jī)軟件、主控模塊及數(shù)字量輸入、輸出模塊組成，其配置圖如圖1所示。

圖1 微型控制器配置圖Fig.1 Simple controller device's disposition

微型控制器執(zhí)行程序的處理在PC 機(jī)軟件上完成。該軟件包括執(zhí)行程序編輯模塊、編譯模塊和下載模塊三部分，軟件的3個(gè)模塊分別完成執(zhí)行程序的編輯、編譯及下載工作。執(zhí)行程序利用類PLC指令系統(tǒng)編寫，程序編寫完成后經(jīng)過(guò)編譯軟件的編譯生成二進(jìn)制程序代碼，最后由下載軟件通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)芯片，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序在線編輯及下載功能。

微型控制器主控模塊以SST89E516RD 單片機(jī)為控制核心芯片，利用芯片所特有的IAP操作模式接收 PC 機(jī)發(fā)送的執(zhí)行程序代碼。SST89E516RD 單片機(jī)FLASH 存儲(chǔ)器被分成兩個(gè)獨(dú)立的程序存儲(chǔ)塊，8K字節(jié)的二級(jí)FLASH 塊能被映射到64K字節(jié)低地址空間［2］。將IAP模式應(yīng)用程序存儲(chǔ)在單片機(jī)的Block 1程序存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，利用該應(yīng)用程序?qū)⑽⑿涂刂破鲌?zhí)行程序代碼寫入Block 0程序存儲(chǔ)區(qū)，然后通過(guò)SFCF［1∶0］位進(jìn)行存儲(chǔ)塊的切換，達(dá)到執(zhí)行程序的執(zhí)行目的［3］。

微型控制器通過(guò)數(shù)字量輸入、輸出模塊與外部工業(yè)設(shè)備連接。模塊采用可級(jí)聯(lián)的串行數(shù)據(jù)寄存器為核心芯片，方便模塊進(jìn)行擴(kuò)展、升級(jí)，以滿足外部開(kāi)關(guān)量的數(shù)量要求。

2 IAP 下載程序

微型控制器利用單片機(jī)的IAP 模式操作完成執(zhí)行程序的在線下載。該操作包括：存儲(chǔ)器擦除、字節(jié)編程、字節(jié)校驗(yàn)等［4］。

微型控制器IAP模式應(yīng)用程序采用查詢方式接收PC機(jī)發(fā)送的命令符，根據(jù)所接收到的命令符執(zhí)行相應(yīng)的IAP操作。程序流程圖如圖2所示。

下載過(guò)程通常按以下步驟進(jìn)行：首先進(jìn)行塊擦除，其次為字節(jié)寫入，最后進(jìn)行字節(jié)校驗(yàn)。

3 PC機(jī)軟件

PC機(jī)軟件利用VB6.0面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編制。通過(guò)PC 機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)微型控制器執(zhí)行程序的處理，該過(guò)程需要3個(gè)步驟，即：執(zhí)行程序的編輯、編譯、下載。三者的關(guān)系如圖3所示。

圖2 微型控制器程序流程圖Fig.2 Simple controller device's flow block diagram

圖3 PC機(jī)軟件流程圖Fig.3 Flow block diagram of PC software

3.1 程序編輯模塊

程序編輯模塊采用Rich TextBox控件編制，該控件可用于文本的輸入和編輯，同時(shí)為了更好地實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序的編輯、修改功能，軟件設(shè)置了編輯下拉菜單，可對(duì)Rich TextBox控件內(nèi)的內(nèi)容進(jìn)行剪切、復(fù)制、粘貼、查找和替換等操作。界面如圖4所示。

圖4 軟件編輯界面Fig.4 Edition contact surface of software

控制器采用類PLC指令系統(tǒng)進(jìn)行編程，完成簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算。該指令系統(tǒng)包含：LD、LDI、AND、ANDI、OR、ORI、OUT、TIM 及CON 等指令，其中TIM 與CON 分別實(shí)現(xiàn)定時(shí)及計(jì)數(shù)功能。執(zhí)行程序編輯模塊可將程序保存為.txt格式文件，方便于執(zhí)行程序的查看及修改。

3.2 程序編譯模塊

由于微型控制器執(zhí)行程序采用類PLC 程序指令系統(tǒng)編寫，不能直接被控制器應(yīng)用，因此需要對(duì)執(zhí)行程序進(jìn)行編譯。利用編譯軟件，不僅可以檢查執(zhí)行程序是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤，還可以將執(zhí)行程序轉(zhuǎn)換為能夠被微型控制器所執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。對(duì)執(zhí)行程序進(jìn)行編譯的過(guò)程分為以下3個(gè)步驟：

（1）對(duì)執(zhí)行程序進(jìn)行讀取。軟件利用VB 中自帶的Split（）函數(shù)對(duì)執(zhí)行程序內(nèi)容進(jìn)行分行讀取。Split（）函數(shù)返回一個(gè)下標(biāo)從零開(kāi)始的一維數(shù)組，它包含指定數(shù)目的子字符串［5］。

（2）對(duì)字符串進(jìn)行規(guī)格化處理。為了便于程序的編譯，并考慮到微型控制器控制指令的規(guī)范性要求，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)程序字段格式為“XXXX 凵XXX”，即“程序命令符+空格+繼電器編碼”。規(guī)格化處理過(guò)程包括：去除字符串中多余的空格，字符的大小寫轉(zhuǎn)換等。例如“凵凵Ld凵x00 凵凵”程序段，化為標(biāo)準(zhǔn)格式為“LD 凵X00”。

（3）對(duì)已化為規(guī)格化形式的類PLC 程序語(yǔ)句進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將類PLC語(yǔ)句轉(zhuǎn)換為單片機(jī)芯片的二進(jìn)制代碼。由于微型控制器只是完成簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算，彼此之間僅僅是位運(yùn)算，因此選擇進(jìn)位標(biāo)志位C來(lái)進(jìn)行運(yùn)算處理。類PLC 指令與匯編指令對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 類PLC指令與匯編指令對(duì)應(yīng)表Tab.1 The corresponding of class PLC instruction and assembly instructions

微型控制器最大可設(shè)有32個(gè)輸入繼電器、32個(gè)輸出繼電器、32個(gè)中間繼電器。繼電器的狀態(tài)均存儲(chǔ)在單片機(jī)中的RAM 位尋址區(qū)且與位地址一一對(duì)應(yīng)。控制器將繼電器的狀態(tài)保存在其對(duì)應(yīng)的位地址寄存器中，通過(guò)對(duì)位寄存器存儲(chǔ)內(nèi)容的改變實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)繼電器的操作。繼電器與單片機(jī)RAM 位地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 繼電器與RAM 位尋址區(qū)位地址映射表Tab.2 The corresponding of relay and RAM position addressing position address

根據(jù)表1、2可以將類PLC 執(zhí)行程序轉(zhuǎn)換為單片機(jī)對(duì)相應(yīng)位地址的操作，再將單片機(jī)匯編程序轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序的編譯。為了提高軟件的執(zhí)行速度和方便下載軟件對(duì)程序代碼的處理，軟件中定義一個(gè)全局?jǐn)?shù)組a（i）存儲(chǔ)執(zhí)行程序編譯生成的二進(jìn)制代碼。

以下列微型控制器類PLC 執(zhí)行程序片段為例：

根據(jù)表2 所示，X00 繼電器對(duì)應(yīng)位地址為“00H”，M01繼電器對(duì)應(yīng)位地址為“21H”，Y02繼電器對(duì)應(yīng)位地址為“42H”，同時(shí)查表1 可知：“LD”命令對(duì)應(yīng)匯編語(yǔ)言指令為“MOV C，bit”，“AND”命令對(duì)應(yīng)匯編語(yǔ)言指令為“ANL C，bit”，“OUT”命令對(duì)應(yīng)匯編語(yǔ)言指令為“MOV bit，C”，由此可知。類PLC 程序轉(zhuǎn)換為單片機(jī)匯編語(yǔ)言程序?yàn)椋?/p>

對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為“A2 00 82 21 92 42”，將代碼依次存入a（i）中，即：

3.3 程序下載模塊

經(jīng)過(guò)編譯軟件的編譯，微型控制器執(zhí)行程序轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)在數(shù)組a（i）中，為了實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序的運(yùn)行，需要將數(shù)組a（i）發(fā)送給微型控制器主控模塊。

系統(tǒng)的PC機(jī)與主控模塊利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信雙方約定：波特率為4 800B／s；信息格式為8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位；傳送方式為PC機(jī)采用查詢方式接收與發(fā)送數(shù)據(jù)。

下載模塊利用VB6.0提供的MSComm 控件通過(guò)串口與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成PC 機(jī)與主控模塊的數(shù)據(jù)通信。該控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)、過(guò)程，并通過(guò)屬性的方法提供了串行通信參數(shù)的設(shè)置，解決了串行通信的問(wèn)題［6］。

MSComm 通信控件，具有功能完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，具有兩種處理通信的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式。由于查詢方式占用的系統(tǒng)資源較多，所以采用事件驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信［7］。

由于需要發(fā)送的數(shù)據(jù)多達(dá)64K 字節(jié)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，進(jìn)行分批發(fā)送。軟件每次發(fā)送64字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后等待單片機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。單片機(jī)處理完畢接收到的64字節(jié)數(shù)據(jù)后，向PC機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)“AA”，PC機(jī)根據(jù)接收的應(yīng)答信號(hào)判斷是否發(fā)送下一批次數(shù)據(jù)。如果接收到的信號(hào)為“AA”，則繼續(xù)發(fā)送，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

以下為PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的部分代碼：

4 結(jié) 論

本文提到的微型控制器已在儀表自動(dòng)車床改造中使用，從應(yīng)用結(jié)果看，機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定，控制簡(jiǎn)單方便，達(dá)到技術(shù)要求?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：采用SST89E516RD 單片機(jī)為控制芯片，降低了控制器成本，并利用芯片的IAP 模式，實(shí)現(xiàn)微型控制器執(zhí)行程序的在線編輯與下載，改善了控制器的性能。PC機(jī)軟件利用VB6.0中的Rich textbox控件及MSComm 控件編制，利用類PLC 程序指令完成微型控制器執(zhí)行程序的編寫，達(dá)到簡(jiǎn)化編程的目的，同時(shí)完成執(zhí)行程序的編譯及下載功能，使其更便于用在中小型工業(yè)設(shè)備的控制中。

［1］張昆，張曉光.一個(gè)微型控制器設(shè)計(jì)中的技巧［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，1994（4）：21-23.

［2］吳錦虹，黃譽(yù)，陳凱.SST89E516RD 存儲(chǔ)空間的組織與IAP實(shí)現(xiàn)［J］.電子制作，2007（5）：60-63.

［3］吳漢清.用SST89E516RD 自制51 單片機(jī)仿真器［J］.無(wú)線電，2007（10）：72-74.

［4］忠梅.單片機(jī)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

［5］李天啟，成昊.Visual Basic 6.0學(xué)習(xí)捷徑［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［6］李江全，張麗.Visual Basic串口通信與測(cè)控應(yīng)用技術(shù)實(shí)戰(zhàn)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［7］范逸之，陳立元.Visual Basic與RS232 串行通信控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.