小型PLC通用人機(jī)界面裝置設(shè)計(jì)

林植洲，蔡啟仲，李克儉，潘紹明，未慶超

LIN Zhi-zhou，CAI Qi-zhong，LI Ke-jian，PAN Shao-ming，WEI Qing-chao

（廣西科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，柳州 545006）

0 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，人機(jī)界面(Human Machine Interface,簡稱HMI)以其友好的人機(jī)交互功能，被廣泛的使用在工業(yè)控制設(shè)備之中，人機(jī)界面和PLC組合的控制系統(tǒng)更是得到了廣泛的應(yīng)用，根據(jù)PLC被控對象的不同或應(yīng)用場合的不同，用戶對人機(jī)界面的需求也有所不同[1～3]。為了滿足不同被控對象的應(yīng)用需求，提高人機(jī)界面的開發(fā)效率和利用率，本文結(jié)合自主研制的通用小型可編程控制器，設(shè)計(jì)了一種通用人機(jī)界面裝置，給出了具體軟硬件設(shè)計(jì)，并建立了人機(jī)界面的物理量與PLC軟元件的映射關(guān)系，使人機(jī)界面能和PLC進(jìn)行準(zhǔn)確通訊，最后以具體實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 人機(jī)界面總體方案

通用人機(jī)界面作為小型PLC控制系統(tǒng)中的監(jiān)控裝置，通過CAN總線與由ARM和FPGA構(gòu)成的PLC主機(jī)進(jìn)行通訊[4,5]。通用人機(jī)界面裝置的設(shè)計(jì)遵循以下原則：1）硬件簡單、可靠、廉價且運(yùn)行環(huán)境好，并配有大容量存儲器，提供靜態(tài)與動態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)等的存儲；2）軟件簡單、實(shí)用、開發(fā)方便；3）人機(jī)交互界面友好；4）通用性好，能應(yīng)用于不同被控對象。

在人機(jī)界面裝置的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用LPC2478微控制器和迪文智能顯示終端為核心硬件，配置CAN接口模塊以及其他外圍電路模塊，能夠達(dá)到一臺 PLC 配置多臺人機(jī)界面；在軟件結(jié)構(gòu)方面，由界面設(shè)計(jì)軟件和系統(tǒng)程序作支持，系統(tǒng)程序采用 C 語言結(jié)合迪文指令集進(jìn)行二次開發(fā)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的各項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)。

2 人機(jī)界面硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人機(jī)界面硬件由主控制器模塊、顯示模塊、CAN接口模塊、輔助模塊、其他接口模塊組成。硬件框圖如圖1所示。

1）LPC2478是基于32位ARM7內(nèi)核的微控制器，工作頻率為72MHz，集成了豐富的外設(shè)組件，作為人機(jī)界面的主控制器，主要承擔(dān)系統(tǒng)各模塊的控制任務(wù)及通訊功能。

2）顯示模塊采用5.6寸迪文智能顯示終端，顯示終端通過RS-232串口與LPC2478或PC機(jī)進(jìn)行通訊[6]。通過顯示終端的顯示屏和觸摸屏實(shí)現(xiàn)被控對象控制參數(shù)的輸入和顯示、運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時顯示、報警信息顯示等；顯示終端自帶128MB Nand FLASH的用戶存儲空間，其中64MB的圖片存儲器能存儲640×480的全屏圖片102幅；最大32MB的數(shù)據(jù)存儲器,其中64KB的用作隨機(jī)存儲空間、29.875MB的作為順序存儲空間用于存儲歷史數(shù)據(jù)，以便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；顯示終端能外接最大6×6矩陣鍵盤，便于用戶在需要使用外接鍵盤時，接入人機(jī)界面進(jìn)行輸入。

3）由于LPC2478內(nèi)部集成了CAN控制器，本文采用具有DC 2500V隔離功能的CTM8251T芯片作為CAN收發(fā)器，人機(jī)界面通過CAN接口與小型PLC系統(tǒng)連接，CAN接口模塊主要實(shí)現(xiàn)CAN總線上信息的接收和發(fā)送。

圖1 人機(jī)界面硬件結(jié)構(gòu)框圖

4）輔助模塊由電源管理模塊、時鐘模塊、報警模塊、復(fù)位模塊組成，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了必要的協(xié)助。其它接口模塊中還配置有USB接口與調(diào)試接口。

3 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以及人機(jī)界面物理量與PLC軟元件映射關(guān)系的設(shè)計(jì)。映射關(guān)系的設(shè)計(jì)為界面設(shè)計(jì)中的鍵碼配置、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中鍵碼與軟元件編碼轉(zhuǎn)換程序提供了依據(jù)。

3.1 人機(jī)界面物理量與PLC軟元件的映射設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

在由ARM與FPGA組成的PLC主機(jī)的用戶存儲區(qū)中每個軟元件保存的信息都與被控對象的工作狀態(tài)或運(yùn)行參數(shù)相關(guān)[4,7]，即每一個軟元件編號與每一個被控對象實(shí)際物理量都有唯一的對應(yīng)關(guān)系，每一個軟元件的信息表示了該物理量的數(shù)據(jù)或開關(guān)量狀態(tài)。為了使人機(jī)界面能夠顯示被控對象實(shí)際物理量的信息，應(yīng)建立起人機(jī)界面物理量與PLC軟元件唯一的映射關(guān)系。

在PLC主機(jī)中與人機(jī)界面通訊的PLC軟元件有輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)器、數(shù)據(jù)寄存器。為了建立人機(jī)界面物理量與軟元件的映射關(guān)系，首先給每個PLC軟元件賦予一個確定值；接著在給人機(jī)界面物理量配置鍵碼值時，根據(jù)人機(jī)界面的開關(guān)量要與PLC主機(jī)中保存被控對象開關(guān)量狀態(tài)的軟元件相對應(yīng)、人機(jī)界面顯示的模擬量要與PLC主機(jī)中保存被控對象模擬量設(shè)定值或當(dāng)前值的軟元件相對應(yīng)的原則，把人機(jī)界面物理量的鍵碼值配置成與其對應(yīng)PLC軟元件的賦值相同。這樣就建立起了人機(jī)界面物理與PLC軟元件的映射關(guān)系。

3.1.2 具體設(shè)計(jì)

考慮到本裝置最大配置鍵碼值為9999，而PLC主機(jī)中與人機(jī)界面通訊的軟元件總個數(shù)超過這個數(shù)值，因此要對PLC軟元件的個數(shù)做進(jìn)一步的限定。在考慮實(shí)際使用情況后，本設(shè)計(jì)對與人機(jī)界面通訊的PLC軟元件做了如下規(guī)定，并賦給一個確定值，具體如表1所示。

表1 與人機(jī)界面通訊的PLC軟元件賦值設(shè)計(jì)表

自主研制的小型PLC控制系統(tǒng)采用了CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式的自定義CAN協(xié)議作為系統(tǒng)的通信協(xié)議，該協(xié)議采用起始位＋設(shè)備地址＋數(shù)據(jù)類型＋數(shù)據(jù)號＋數(shù)據(jù)長度＋數(shù)據(jù)＋CRC 校驗(yàn)＋結(jié)束標(biāo)志[4]。在協(xié)議中定義了軟元件的編碼規(guī)則，具體如表2所示。

表2 人機(jī)界面與PLC主機(jī)通訊的軟元件編碼

3.1.3 實(shí)現(xiàn)過程

以保存PLC主機(jī)工作狀態(tài)“手動”信息的軟元件M1為例,將顯示界面中“手動”控制按鈕的鍵碼值依據(jù)表1配置為1501（0x05 0xDD），當(dāng)按下“手動”按鈕時顯示終端通過串口上傳一個攜帶鍵碼值為 0x05 0xDD的迪文指令給LPC2478，LPC2478收到這條指令提取鍵碼為0x05 0xDD時，判斷為改變PLC主機(jī)的工作狀態(tài)為手動，并將鍵碼值轉(zhuǎn)換成軟元件M1的編碼信息：數(shù)據(jù)類型為0x04、數(shù)據(jù)號為0x00 0x01。將編碼信息按照自定義的CAN協(xié)議進(jìn)行填充編碼寫成改變M1狀態(tài)的CAN指令，通過CAN總線傳給PLC主機(jī)。這樣就實(shí)現(xiàn)了通訊過程中人機(jī)界面物理量與PLC軟元件映射關(guān)系的轉(zhuǎn)換。

3.2 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)軟件由PC機(jī)上的畫圖軟件、迪文觸控界面制作軟件、迪文演示助理軟件構(gòu)成。界面設(shè)計(jì)采用迪文觸控界面設(shè)計(jì)方式，用戶可以根據(jù)需要在PC機(jī)上用畫圖軟件設(shè)計(jì)出類似windows風(fēng)格的圖形界面來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

顯示界面用畫圖軟件制作完成之后，由迪文觸控界面制作軟件配置界面間的觸控關(guān)系、界面中顯示的物理量按人機(jī)界面物理量與PLC軟元件映射關(guān)系進(jìn)行鍵碼配置，并生成觸控配置文件。通過迪文演示助理軟件調(diào)試后把顯示界面和觸控配置文件下載到顯示終端，并對顯示終端的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置包括界面觸控方式設(shè)置、串口通信波特率設(shè)置等。本設(shè)計(jì)把觸控方式設(shè)計(jì)成點(diǎn)擊有效觸控區(qū)域才發(fā)出聲音，并上傳觸控鍵碼值：當(dāng)點(diǎn)擊顯示界面中的控制按鈕、數(shù)值顯示框或數(shù)字鍵盤時，迪文智能顯示終端通過串口自動上傳一個攜帶相應(yīng)鍵碼值的迪文指令到LPC2478。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序通過C語言結(jié)合迪文指令集進(jìn)行開發(fā)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。人機(jī)界面系統(tǒng)程序由4個模塊組成：系統(tǒng)初始化模塊、中斷模塊、功能模塊和主控模塊。

系統(tǒng)初始化任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面系統(tǒng)各個硬件驅(qū)動的初始化；中斷模塊包括串口接收中斷程序和CAN接收中斷程序，通過中斷程序保證迪文顯示終端通過串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)和CAN總線上的數(shù)據(jù)的實(shí)時接收；主控模塊完成系統(tǒng)工作任務(wù)判斷，進(jìn)行正?？刂蒲h(huán)；功能模塊包括鍵盤輸入程序、鍵碼與軟元件編碼轉(zhuǎn)換程序、CAN編碼程序、CAN解碼程序、串口編碼程序、串口解碼程序、數(shù)據(jù)保存程序、光標(biāo)顯示程序等具體功能小模塊。本文的鍵盤輸入程序采用工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的“防錯誤輸入法”進(jìn)行設(shè)計(jì)，即當(dāng)輸入錯誤值時，不用退出，只需重新輸入正確的值即可。

人機(jī)界面裝置每個功能都是通過調(diào)用這些具體功能小模塊來實(shí)現(xiàn)的，如對PLC被控對象參數(shù)進(jìn)行設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 參數(shù)設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)過程

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文以太陽能熱水器控制系統(tǒng)為試驗(yàn)對象，在構(gòu)建好的通用人機(jī)界面平臺上進(jìn)行二次開發(fā)。依據(jù)系統(tǒng)要求[8]，人機(jī)界面要實(shí)現(xiàn)的主要功能有∶水位顯示/設(shè)定、溫度顯示/設(shè)定、自動/手動控制、報警顯示等，系統(tǒng)顯示界面的顯示菜單設(shè)為2級菜單的形式，例舉菜單中參數(shù)設(shè)置界面功能如果圖3所示。

圖3 太陽能熱水器控制系統(tǒng)人機(jī)界面功能菜單

首先將人機(jī)界面的物理量與保存太陽能熱水器信息的PLC軟元件進(jìn)行一一映射，例舉部分映射關(guān)系如表3所示；接著用畫圖軟件制作所需的顯示界面，并配置各界面的觸控關(guān)系和鍵碼值；最后經(jīng)調(diào)試無誤后把顯示界面、觸控配置文件下載到人機(jī)界面裝置。

表3 部分人機(jī)界面物理量與PLC軟元件的映射關(guān)系

將人機(jī)界面裝置接入控制系統(tǒng)對太陽能熱水器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。顯示系統(tǒng)運(yùn)行時參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。

5 結(jié)束語

采用LPC2478微控制器結(jié)合迪文的智能顯示終端進(jìn)行通用人機(jī)界面設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的處理速度和設(shè)計(jì)的可靠性，也便于功能的擴(kuò)展；采用迪文觸控界面設(shè)計(jì)方式簡化了界面設(shè)計(jì)過程，而且界面設(shè)計(jì)可以和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)同時進(jìn)行，縮短了設(shè)計(jì)周期時間。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證表明本文設(shè)計(jì)的通用人機(jī)界面裝置開發(fā)方式簡單，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，達(dá)到友好人機(jī)交互的目的。

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