基于單片機(jī)開發(fā)可編程控制器的研究

王善紅

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)開發(fā)控制器的新方案以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)與邏輯運(yùn)算、控制分離。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；梯形圖；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；自編程

中圖分類號(hào)：TP334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

通?；趩纹瑱C(jī)開發(fā)的智能控制器，因內(nèi)部程序已固化，開發(fā)完成后，其功能基本定型，只能應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí)的特定目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)如需變更控制方案也非常困難。針對(duì)這一短板，我們?cè)O(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)開發(fā)控制器的一種新方案，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)與邏輯運(yùn)算、控制分開，并以簡(jiǎn)明梯形圖語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)運(yùn)行邏輯編程，不僅擴(kuò)展了控制器的應(yīng)用范圍，而且減輕現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度，控制方案的變動(dòng)，只需修改梯形圖邏輯即可解決。

二、原理

單片機(jī)應(yīng)具備的特性：足夠容量的可擦寫flash程序存儲(chǔ)器，支持IAP功能，現(xiàn)在大多單片機(jī)芯片都支持用戶自編程IAP功能，如Atmega128、STM32F3、STM32F4系列皆能滿足要求。首先將單片機(jī)flash存儲(chǔ)器劃分為3塊，一部分存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)IAP功能的Boot Loader程序，一部分存儲(chǔ)單片機(jī)內(nèi)核程序，余下的部分用于存儲(chǔ)用戶程序。內(nèi)核程序主要是硬件驅(qū)動(dòng)及用戶程序間代碼接口與算法。用戶程序即為用梯形圖編輯工具形成順序控制邏輯，比較規(guī)則及數(shù)據(jù)輸出去向等。

內(nèi)核程序周期性地掃描內(nèi)外部設(shè)備內(nèi)存映射地址，并調(diào)用用戶區(qū)邏輯運(yùn)算，將結(jié)果以數(shù)據(jù)量及消息量的方式輸出到設(shè)備，如此周而復(fù)始，完成用戶邏輯的控制方案。

三、具體實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)及通信不在本議題討論范圍內(nèi)，重點(diǎn)論述如何實(shí)現(xiàn)梯形圖編譯工具軟件與單片機(jī)執(zhí)行梯形圖控制邏輯。

1.用戶程序編輯與編譯（梯形圖編譯工具）：

梯形圖的編輯元器件主要包括常開接點(diǎn)、常閉接點(diǎn)、繼電器等簡(jiǎn)單元件和定時(shí)、比較等功能元器件。為了靈活應(yīng)用和擴(kuò)展編輯元器件，方便編程，將梯形圖元件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

type

Tmdevice=record

name： string[4]； //元件名稱

mclass： byte； //元件類型

memo： string； //元件備注，消息變量為消息變量實(shí)體

end；

其中Mclass的取值0：開關(guān)量輸入（DI），1：開關(guān)量輸出（DO），2：定時(shí)器（T），3：計(jì)數(shù)器（C），4：內(nèi)部繼電器（M），5：數(shù)據(jù)寄存器（D），6：消息輸入（MI），7：消息輸出（MO）。

梯形圖用戶程序我們可以看成是有限個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成固定列寬，可擴(kuò)展行數(shù)的表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表元件加邏輯操作構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，因此首先定義節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

Type

Tprodata=record

Opclass： byte； //節(jié)點(diǎn)類型（元件類型+連接類連）

notop： byte； //操作碼

Address： byte； //操作數(shù)內(nèi)存地址

Chadd： word； //比較數(shù)

end；

依據(jù)上述約定實(shí)現(xiàn)繪制的梯形圖，如圖1所示。

2.梯形圖邏輯掃描算法

梯形圖語(yǔ)言描述一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)自左向右的能量潮，元件的邏輯運(yùn)算總是與左側(cè)的運(yùn)算“與”運(yùn)算，分支總是與左側(cè)結(jié)果“或”運(yùn)算，逐行掃描遇分支節(jié)點(diǎn)先將運(yùn)算結(jié)果壓入棧，掃描暫時(shí)放棄分支節(jié)點(diǎn)右側(cè)元件，進(jìn)行下一行掃描，如遇分支，繼續(xù)執(zhí)行壓棧，一直掃描到?jīng)]有分支時(shí)，將結(jié)果與棧頂“或”運(yùn)算，執(zhí)行出棧（先進(jìn)先出原則），同時(shí)判斷棧頂節(jié)點(diǎn)連接類型，決定下一步是出棧還是掃描，如遇出棧節(jié)點(diǎn)有右側(cè)分支，則掃描右側(cè)元件，并作邏輯運(yùn)算，直至掃描至行結(jié)束標(biāo)志節(jié)點(diǎn)，并將運(yùn)算結(jié)果賦值與最后節(jié)點(diǎn)元件，因此位于結(jié)束標(biāo)志點(diǎn)的元件一定是輸出型元件。如果在掃描過(guò)程中，能量潮在開始標(biāo)志與結(jié)束標(biāo)志中有中斷或能量潮開始與結(jié)束標(biāo)志不完整，都視為梯形圖編譯未能通過(guò)。

我們將上面元件掃描順序及元件操作類型記錄在一個(gè)順序數(shù)據(jù)組中，這個(gè)順序數(shù)組結(jié)構(gòu)應(yīng)是這樣：

Type

Tprodata=record

Oprate： byte； //數(shù)據(jù)運(yùn)算類型

selfop： byte； //自身附加運(yùn)算

Address： byte；//元件內(nèi)存映射地址

Chadd： word；//比較運(yùn)算值

end；

其中Oprate對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算，1表示與，2表示異或，4表示賦值，5表示壓棧，6表示出棧，7表示棧更新，8表示定時(shí)器操作，9：定時(shí)器溢出處理，10：計(jì)數(shù)器操作，11：計(jì)算器溢出處理，12：表示位操作，13：寄存器數(shù)值比較。

然后定義一個(gè)Tprodata類型變長(zhǎng)數(shù)組，將上面梯形圖掃描編譯順序結(jié)果存放在這個(gè)變長(zhǎng)數(shù)組中，最后將這個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)按Intel Hex格式格式化輸出文件，并保存在磁硬盤中。

3.下載用戶程序到單片機(jī)用戶程序寄存器

單片機(jī)具有自編程（IAP）功能，將梯形圖編譯結(jié)果文件（Intel Hex格式）下載到單片機(jī)用戶程序寄存器分區(qū)，因用戶程序寄存器分區(qū)是可單獨(dú)通過(guò)IAP擦寫，這樣修改控制器運(yùn)行邏輯，只需修改梯形圖，編譯下載就可實(shí)現(xiàn)控制邏輯與內(nèi)核程序分離。

4.單片機(jī)執(zhí)行梯形圖邏輯實(shí)現(xiàn)

5.梯形圖元件在單片機(jī)內(nèi)存映射

單片機(jī)內(nèi)核程序中首先定義一組元件內(nèi)存映射，數(shù)組的大小與梯形圖中元件數(shù)組大小一致，并保持與梯形圖編輯工具中元件類型對(duì)應(yīng)，這里定義為u16 opdate[255]。

為處理梯形圖用戶邏輯，在單片機(jī)內(nèi)核程序中建立幾個(gè)接口函數(shù)，如圖2所示。

接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)方式中已明確了數(shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)，單片機(jī)內(nèi)核循環(huán)執(zhí)行ReadDI（）、checkprodata（）、OutDO（）函數(shù)。ReadDI（）將輸入端口的邏輯狀態(tài)讀入映射區(qū)。通信控制字、消息輸入通過(guò)中斷接口調(diào)用中斷處理函數(shù)將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的內(nèi)存映射地址，checkprodata（）順序讀取、處理用戶邏輯，并將邏輯運(yùn)算、比較結(jié)果傳遞相應(yīng)的輸出映射內(nèi)存地址，OutDO（）函數(shù)將輸出映射地址中的結(jié)果輸出控制器的輸出端。通過(guò)圖3更清晰彼此間的作用機(jī)制。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)開發(fā)智能控制器，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核程序與用戶控制邏輯分離，控制邏輯通過(guò)梯形圖編輯工具編譯與下載，控制目標(biāo)的變更，只需修改梯形圖邏輯即可實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)方案成功應(yīng)用在江蘇鹽城供電公司東郊變、安泰變環(huán)境監(jiān)測(cè)與報(bào)警，智能排水不同控制目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]杜開初.基于AT89C51單片機(jī)的微型可編程控制器[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（1）：17-18.