基于PLC和單片機實現的數據采集控制系統設計

武振慧

摘要：PLC和單片機是目前最為常用的兩種控制器件。本文介紹了一種基于PLC和單片機實現的數據采集控制系統設計。

關鍵詞：PLC；單片機；數據采集；控制系統

在工業(yè)控制過程中，需要對被控制對象的實時數據進行采集，并且根據采集數據的實際情況，對其進行實時的監(jiān)控及遠程的控制，以完成相應的控制任務。

在現代工業(yè)控制中，對控制的準確性判斷及控制的實時性和穩(wěn)定性需求都很高，所以要有一種可進行數據采集的控制系統，而且這種系統要能實現多通道高精度以及大容量的要求。因此，對單片機與PLC的數據采集控制系統設計進行研究具有非常重要的現實意義。

一、單片機概述

單片機（Microcontrollers）又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。同時，它也是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到目前的300M的高速單片機。

二、單片機的軟件設計

單片機系統的軟件設計包括了單片機對A/D的采樣控制和PLC的串行通訊。由于單片機與PLC通信要求使用相同的波特率，且傳輸的數位相同，所以在單片機串口的初始化設置中將波特率的定時器1、串口的控制和中斷控制按如下步驟進行：①確定定時器1的工作方式：TMOD=0x20；②確定定時器1的初值裝載：TH1=0xfD；TL1=0xfD；③啟動定時器1：TR1=1；④確定串口的控制：SCON=0x52；⑤計算波特率：波特率的設置應與PLC的通信協議一致，選擇的晶振為11.0592M，波特率=2SMOD/32×定時器1的溢出率（式中SMOD為PCON寄存器的最高位），溢出率=11.0592×106×（213-TL1+3+1+2+2+1）/12），PCON=0x00；得串口波特率為9600 b/s。

單片機設定了工作在串口方式1，它的幀格式為1個起始位，8個數據位，1個停止位；而PLC要求的是1個起始位，7個數據位，1個偶校驗位，1個停止位。所以單片機發(fā)送數據時要把數據的最高位設置成偶校驗位，這樣才能順利通訊。

三、PLC與LabVIEW的串行通信

由于FX系列PLC只有RS422和RS485的串行通信接口，所以與PC機進行串口通信時要接一個RS232與RS422（或RS485）的轉換電纜，完成通信的硬件連接。

1、PLC與上位機LabVIEW的通信設計。用PC機的RS-232接口與PLC通信，需要對PLC一些參數進行配置。采用FX系列PLC的默認設置為：啟動位：1位；數據長度：7位；停止位：2位；奇偶校驗：偶校驗；波特率：9600 b/s。

通信格式設置完后，PC機開始向PLC傳送數據。①通信開始先由PC機向PLC發(fā)出呼叫，由于是一對一的呼叫，無需地址碼；②PLC接受到呼叫信號后，以相應的字符發(fā)送應答信號；③PC機收到正確的應答信號后，將數據傳送給PLC；④PLC接收到數據后，以相應的字符發(fā)送結束信號；⑤PC機收到結束信號后停止傳送數據，通信結束。

在LabVIEW的程序中可采用下列步驟實現與PLC之間的通訊：①初始化串口，設置雙方通訊的端口號、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗等，與PLC的設置相同；②把要發(fā)送的數據按PLC命令幀的格式打包；③寫端口，把整個命令幀發(fā)送到串口；④延時等待PLC的應答幀到達串口；⑤讀串口，讀取PLC的應答幀；⑥把讀取的應答幀解包，讀取相應的數據。

其中@表示一幀的開始，上位機按“節(jié)點號”來識別PLC；識別碼是兩個字符的上位機命令代碼，它表示上位機要對PLC進行何種操作；正文包括起始字和字數，起始字是指要讀寫通道的起始地址，字數是指要讀寫的通道個數；FCS碼（兩個字符）用于校驗，由上位機計算并設置在命令幀里，安排在終止符前，以檢查在傳送數據時是否發(fā)生錯誤。FCS碼的具體算法是：從一幀數據的開始到幀正文結束（FCS之前）所有數據字符ASCII碼執(zhí)行“異或”操作的結果，此結果是一個8位二進制數，然后分別把其高4位和低4位轉換成兩個16進制數表示的ASCII碼；終止符是“*”。

同理，PLC在接收命令幀后要返回相應的應答幀，其格式就是在識別碼的后面加一個結束碼，結束碼表示返回給PLC的錯誤代碼，若正確為00H，其他為不同的錯誤代碼。

2、上位機LabVIEW的監(jiān)控界面設計。本系統要求用上位機來完成現場采集數據的顯示，并能通過PLC對現場設備進行控制，所以需設計顯示采集數據的顯示窗口和發(fā)布控制命令的命令窗口。

3、基于B/S模式的LabVIEW遠程控制功能。LabVIEW中的遠程面板（Remote Front Panel）采用了B/S模式，把一個VI的前面板直接嵌入到Web網頁中，使Internet上的客戶端能看到一個動態(tài)刷新的實時畫面，而且客戶端獲得授權后還能對前面板進行遠程控制。同時，由于LabVIEW中內嵌了Web服務器的功能，所以不必再開發(fā)Web服務應用程序，只需通過簡單的設置就能將原來單機版的測控系統升級為基于Web的遠程測控系統。

遠程面板技術實現首先需設置Web服務器：激活Web Server服務，設置發(fā)布文件所在根目錄（RootDi rec tory），指定記錄Web登錄信息的文件（LogFile）；設置瀏覽訪問控制列表（browser acces s list），客戶端用戶具有監(jiān)控、監(jiān)視、及拒絕訪問三種訪問權限，能有效控制不同重要程度的訪問客戶端；設置VI可見性（Visible），將需要遠程控制的VI的名字添加到列表框中，以便遠程客戶端進行訪問；創(chuàng)建HTML文件，修改HTML文件中的參數?？衫肔abVIEW的Web Publ ish工具進行創(chuàng)建。然后設置訪問客戶端：安裝LabVIEW運行引擎（LabVIEWRunTime Engine）；打開瀏覽器，輸入對應的URL。

四、結語

綜上所述，運用數據采集系統可獲得大量的動態(tài)信息，是獲取科學數據和生成知識的重要手段之一。另外，在工業(yè)控制領域里，數據采集與控制系統密不可分，而單片機與PLC分別是這兩個部分的核心。但兩者各有其特點，因而在實際的應用中希望把兩者結合在一起，進而實現更加優(yōu)化的設計。

參考文獻：

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[3]邴春秋.基于PLC和單片機實現的數據采集控制系統設計[J].西華大學學報（自然科學版），2014（06）.

（作者單位：中車唐山機車車輛有限公司）