單片機與PLC之間通信的研究

陳洪偉

【關鍵詞】單片機 PLC 通信

在很多工業自動化控制設備中，需要進行現場數據的采集，來配合其他設備實現工藝參數的調節和控制，在現場控制設備中有多鐘多樣的數據采集模塊，有些產品無法直接進行協議的匹配。本文著重介紹單片機與PLC 通信的方案。首先，說下硬件接口電路的設計，PLC 配置了標準的RS-232 接口或者RS-485 接口。以RS-232 接口為例它采用的是EIA/TIA-232-E 電平，而單片機的工作電平是TTL 或者CMOS 電平， 這兩種不同的電平肯定是不能進行互相通信的，所以我們需要一個電路進行電平轉換。比較常用的是MAX232 串行通信芯片，MAX232 芯片集成雙RS-232 驅動接收器并且采用5V 供電，便于與單片機系統采用統一電源進行工作。

硬件接口電路完成后我們來研究下二者實現通信的軟件部分如何設計。軟件部分我們采用的Modbus 通信協議。之所以使用Modbus 通信協議是因為它目前應用反面不錯的應用層協議，它不僅簡潔也比較完善。對于之前沒有了解過Modbus 協議層的，最好不要直接移植Modbus，應該先去學習Modbus 文檔，經過充分學習了該協議的內容以后，再按照協議要求開發軟件部分，比如PLC 的中Modbus 部分與單片機中的Modbus 部分。雖然單片機系統的通信協議可以由編程人員自己開發，但是通過實踐應用發現自己定制的協議問題很多，尤其是需要擴展的時候極為困難。所以去借鑒他人的經驗當然是一個很好的途徑。借鑒他人成熟的經過驗證的代碼，可以大大減少調試時間。Modbus 通信協議主要有三種模式，分別為ASCII 碼通信模式、RTU 通信模式、TCP 通信模式等，這個協議定義了控制器，這樣我們就能認識和使用這個消息結構，這幾種協議規定了消息、數據的結構、命令和應答的方式，數據的通信格式用主/ 從通信方式，數據請求消息由主設備發出，然后從設備接收到正確消息后就可以響應主設備的請求;主設備端當然，也可以去修改從設備端的數據，這樣就實現雙向的讀寫。接下來我們以RTU模式為例來講解，一幀數據由消息頭和編碼數據組成。而且每幀數據的發送要大于等于3.5 個字符的間隔時間來開始。當波特率固定時，這個時間間隔是比較容易實現的。一幀數據傳輸的第一個域是設備的地址。每一個設備的地址都是唯一的，在通信期間網絡上的所有設備一直偵測總線。當接收到第一個數據時，收到數據的設備都進行解碼，判斷是否和自己的地址一樣。一幀數據傳輸完之后，結尾以一個大于3.5個字符時間的間隔表示一幀數據結束。新的一幀數據可在這個時間間隔以后開始。但是如果在一幀數據傳輸完成以前有大于1.5 個字符的間隔時間，就會導致接收設備刷新完成這個不完整的消息，就會認定接下來的數據是一個新消息的地址。這樣就會導致接收到的數據都是錯誤的。一組數據幀的格式具體如下：初始結構應該大于等于4 個字節的時間，地址碼占用1 個字節長度，功能碼占用1 個字節長度，數據區根據用戶需求占用的字節長度自定，錯誤校檢占用2 字節長度，結束結構大于等于4 個字節的時間。地址碼是一幀數據的第一個字節。這個字節數據是由用戶設定的，是從機接收信息的地址。所以每個從機的地址碼一定是唯一的，如果有雷同的地址碼就會導致兩臺或多臺從機端收到同樣的信息指令。主機發送的過來的地址碼是主機數據要發給從機的地址，對應地址的從機收到信息后回傳從機地址以表示數據接收完成。功能碼是一個數據幀的第二個字節。協議規定功能號為1 到127。那么這些功能碼到底是什么意思呢？其實很簡單就是作為主機請求發送數據命令，用這些功能碼來告訴從機去做什么。如果從機發送的功能碼大于127，則表明從機沒有正確接收到指令或發送出錯。數據區是用戶自定義的。數據區的數據是根據現場要求來傳輸的自定義數據。具體數據區的數值是用戶在現場應用中自定義的數值。CRC 校驗碼冗余循環碼總共有2 個字節，CRC 校驗碼是主設備計算，置于發送信息的尾部。當從機接收到后再重新計算CRC 碼，計算完成后的結果來和接收到的CRC 校驗碼進行對比，如果兩者不同，則說明接收到的數據出錯。以上是RTU 模式的數據格式。

最后我們再來說下單片機編程的CRC 校驗如何實現，因為PLC 的CRC 校驗可以通過軟件設置好就可以了，但是單片機需要自己寫程序來實現校驗。通過上文我們知道CRC 校驗碼包含兩個字節，也就是一個16 位的二進制值碼。首先定義一個全“1”的16 位寄存器，然后處理消息寄存器中的第一個字節數據。取一個字符和寄存器內容按位相或，然后結果向右移一位，最高有效位補0。提取最低有效位是1 還是0，如果最低有效位是1，則要將寄存器單獨和預置的值相或一下，如果最低有效位的值是0，就不需要進行任何的操作。這樣一個字節完成后，重復以上步驟。最終得到的寄存器中的值，就是消息中所有的字節數據都執行之后的CRC 值。接下來以一段例程進行講解，首先包含2個頭文件#include，#include。定義一個發送緩沖區unsignedcharbuf[10]，定義一個接收緩沖區unsignedcharrece[10]，然后我們來定義一個串口初始化的函數voidserialinit（）{scon=0x50; 設置串口工作方式1，10 位異步通訊模式，pcon=0x00;設置波特率不倍增PCON=0X00;設置串口工作方式TMOD=0X20;設置定時器初值TH1=0XFA，TL1=0XFA;啟動定時器TR1=1;} 再定義一個CRC 計算程序unsignedintcrc16（unsingedchar*msg，unsignedinttalen），函數體按照上述步驟補充完畢即可。接下來我們看主函數main（）{ 調用子函數對串口進行初始化serialinit（），設置一個發送的站號send_buf[0]=0x05，發送一個讀操作的功能碼send_buf[1]=0x03， 發送字節數send_buf[2]=0x02， 設置第一個寄存器數據高字節地址send_buf[3]=0x00，設置第一個寄存器數據低字節地址send_buf[4]=0x01， 然后計算crc 校驗碼crc_data=crc16（send_buf，5）計算完成后把crc 計算結果存儲到發送緩沖區send_buf[6]=crcdata>>8， 存儲的是低8 位，send_buf[5]=crc_data 存儲的是高8 位} 然后進入無限循環程序while（1）{ 判斷是否接收到數據if（RI）{RI=0;如果接收到數據清除接收中斷標志位，if（rcec_c<8）{rcec_buf[rcec_c]=SBUF;把接收緩沖區中的數據讀出來存到第一個數組位，然后數據個數加一rcec_c++;直到8 個數據接收完成} 如果8 個數據接收完成后，對第一個數據中的地址進行判斷，如果正確說明是發送給此機的數據}，接下里就可以把其他的數據讀出來進行解析和處理了}綜合上面所述的程序結構，我們基本上了解了整個接收程序的流程及寫法。同樣的道理如果需要主機向外發送數據時，我們只需要按照步驟再寫一個發送程序即可，所以我們在單片機端程序按照以上步驟調試modbus 通信協議即可實現正常通信。