PLC與單片機之間的串行通信及應用分析

杜瑞濤，馮振華

（許昌電氣職業(yè)學院，河南 許昌 461000）

在工業(yè)自動化控制的實際應用過程中，有兩種被人們廣泛使用的設備，一種是PLC，另一種是單片機，這兩種設備各有其優(yōu)缺點。PLC與單片機相比，主要功能是能縮短工程的研究開發(fā)時間，其優(yōu)點是能夠簡單操作、可靠性高、功能強大，而且適合應用于各種惡劣的環(huán)境里。但作為獨立的單片機系統(tǒng)，單片機在性能和功能強大方面都具有很高的優(yōu)勢，可以滿足各種電氣控制的要求。但是，單片機存在開發(fā)困難的缺點，其所需要的開發(fā)周期較長、開發(fā)成本高，而且PLC控制器沒有配備鍵盤、顯示器和其他設備，導致無法顯示控制數(shù)據(jù)?？紤]到上述因素，要想單片機和PLC集成在一起完成各種控制任務，讓各自的優(yōu)點可以在理想的狀態(tài)下實現(xiàn)。所以需要對該功能進行實現(xiàn)，應當對單片機與PLC時間進行聯(lián)系，通過串行通信，為實現(xiàn)該功能提供基礎。本文主要對單片機與PLC如何進行串行通信進行分析。

1 研究背景

科技是現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎，該技術對社會發(fā)展各個方面都有一定幫助，不僅能推動社會科技進步，也能實現(xiàn)政治、經濟、軍事等各方面優(yōu)化。在整個國際歷史的發(fā)展歷程中，在給世界帶來巨大影響和變化的因素里，科學技術常常扮演著重要的角色。科學技術革命的影響，無論是對人們的日常生活還是對整個社會的發(fā)展，都有著巨大的刺激，讓世界向著繁榮富強不斷地進步。在第一次技術革命中，科技引領世界進入資本主義國家，而第五次技術革命引領電子信息技術的普及進入世界發(fā)展，引領世界走向信息化。因此可以得出，由于科學技術的影響，社會不斷地向越來越高級的部分轉化。自動化本身是現(xiàn)代技術發(fā)展趨向，機電一體化技術在發(fā)展過程中，在自動化方面要求逐漸提高。

首先，PLC系統(tǒng)在控制性與抗干擾性方面都具有良好的水平，而且系統(tǒng)設計與開發(fā)時間較短，具有良好的優(yōu)越性，同時，PLC系統(tǒng)能夠進行較好的擴展，并且在整體結構配置方面較為靈活，可以結合自身需求進行改變。但是，傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)很難構成所開發(fā)的硬件結構，缺少自己的模塊，這些缺點已成為APP的主要困擾之一。三菱PLC在國內是比較常見的一種技術，為了有效地應對上述問題，將三菱PLC和單片機進行有效組合并以串行通信為基礎，這樣會有助于節(jié)約資源。

2 對串行通信進行簡單的概述

串行通信是一種一次從計算機總線或其他傳輸通道輸入一位數(shù)據(jù)，并連續(xù)進行單一處理的通信模式，這是通過串行端口同時發(fā)送和接收多位數(shù)據(jù)的并行通信。這意味著串行就是排成一排隊列行走，而并行就是排成在隊列中行走。它可以分為同步連續(xù)通信和異步串行通信兩部分，傳感數(shù)據(jù)提供時鐘信號，并根據(jù)特定的參考點發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，當時鐘信號上升時，發(fā)送數(shù)據(jù)。接收者根據(jù)始發(fā)者提供的時鐘信號和所有人的同意接收數(shù)據(jù)，這就是同步連續(xù)通信，I2C、SPI等時鐘信號都屬于該通信模式。在發(fā)送數(shù)據(jù)的前后，調用方告知接收方數(shù)據(jù)可以通過特定的信號，例如，信號的開始或者是停止。同時，發(fā)送者和接收者同意數(shù)據(jù)傳輸速率，也就是我們熟知的波特率，在發(fā)送START信號后，發(fā)送方以固定的節(jié)奏發(fā)送串行數(shù)據(jù)。同時，接收機在接收到START信號后，以一定的節(jié)奏接收串行數(shù)據(jù)。

單片機常用的串行通信接口有以下幾個方式：

（1）SPI：高速同步串行端口。它有3～4線路接口可以分別同步收發(fā)連續(xù)型外圍設備，是摩托羅拉公司推出的同步連續(xù)通信模式和3線式同步總線，其強大的硬件功能使與SPI相關的軟件非常簡單，讓CPU可以花更多的時間去處理其他問題。SPI通常有三種信號:SCK時鐘、STB芯片選擇和DATA信號。I2C一般來說有兩個信號:SDA數(shù)據(jù)和SCL時鐘。SPI總線可以實現(xiàn)真正的全雙工數(shù)據(jù)傳輸。在SPI的四線中，還有一行稱為SDC的附加行，用于指示從設備是否正在發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，這個接口可以傳輸更快、更連續(xù)的數(shù)據(jù)。因為SPI比IIC更快，所以通常用于批量存儲等產品的內部組件之間的高速數(shù)據(jù)通信。

（2）UART：通用異步串行端口。MCU的“串行端口”通常表示UART。可以進行完全的雙重通信，但是它的線路數(shù)比較少。數(shù)據(jù)是異步發(fā)送的，雙方的定時要求都很苛刻，通信速度不高。主要用于多計算機通信，例如單片機與單片機之間的通信。

（3）IIC：能夠在線找到通信協(xié)議和使用方法的串行傳輸模式，它也是一個3線制系統(tǒng)。IIC接口的協(xié)議包含設備的地址信息，可以將多個從設備連接到同一總線上，通過響應交換數(shù)據(jù)和命令。但是，傳輸速度在標準模式下只能為100Kbps，在高速模式下為400Kbps，在高速模式下到達400Mbps無法實現(xiàn)雙工整體，不適合大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）USB：這個是日常生活中人們最常用的東西，幾乎每天都用這個處理信息。USB是連接計算機系統(tǒng)和外部設備的串行總線標準，也是輸入輸出接口的技術規(guī)范，它主要用于電腦、便攜設備等信息通信產品，可以應用于照片設備、數(shù)字電視、游戲機及其他相關領域。許多SCM也有USB接口，如STM32。上述四個接口的通信協(xié)議都是不同的，例如，對于UART來說，最簡單的協(xié)議是起始位和結束位，其中間有8位數(shù)據(jù)，而對于USB通信協(xié)議來說就要非常復雜化了。

3 PLC與單片機原理概述

PLC是由已經調試成功、成熟且穩(wěn)定的單片機組成的控制系統(tǒng)。單片機可以組成各種各樣的APP系統(tǒng)，應用范圍很廣，但它只是一個集成電路，要與其他電路組件和軟件組合形成系統(tǒng)后才能應用。從工程使用的角度來看，可靠性高，但幾乎沒有成本重復的單一項目里使用PLC是方便且有保證的。在許多項目中，使用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但需要特定的研發(fā)實力和行業(yè)經驗，單片機的形狀使相關功能技術相互兼容。在自動生產領域，單片機有著廣泛的用途，將當前的PLC系統(tǒng)與單片機APP系統(tǒng)相結合，可以利用自身的優(yōu)勢實現(xiàn)串行通信，進一步提高串行通信在自動化中的有效性。

另一方面，PLC和單片機都具有強大的運用能力，PLC系統(tǒng)根據(jù)自身功能模塊的特性，可以通過VB命令、C語言和計算機編程并入單片機內部，因此，單片機基于技術功能的兼容性具有特定的功能內容的特性可以調整各個特征模塊，完成生產操作。串行通信系統(tǒng)目前在應用于自動化生產的APP后已生效，而且APP應用范圍仍在擴大。

4 PLC與單片機的通信設置與實現(xiàn)

4.1 PLC的通信設置與實現(xiàn)

為了有效地獲取相關數(shù)據(jù)，可以將技術用于能夠實現(xiàn)有效目的的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了實現(xiàn)其可靠性和安全性目標，相互傳輸數(shù)據(jù)的雙方必須采用指定的數(shù)據(jù)傳輸模式，以便能更有效地收獲期望的數(shù)據(jù)。串行通信模式，一方面可以分為串行端口的同步通信模式(發(fā)射機和接收機由同一時鐘源控制)，另一方面是串行端口的異步通信模式(接收機和發(fā)射機具有自己的時鐘)。在PLC控制系統(tǒng)中，結合使用串行端口的異步通信模式和PLC控制系統(tǒng)的特性，可以更容易實現(xiàn)，操作也會更加簡單，還不用浪費較多資金。

4.2 單片機的通信設置與實現(xiàn)

在內部結構中，單片機具有可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行端口，為整個雙串行端口，還具有對單片機的內部結構至關重要的組件。單片機內部有許多零件與結構，以完善單片機的內部功能，其內部包括CPU、RAM、ROM等，而且CPU中還包括累加器、暫存器以及ALU，利用定時器或計數(shù)器進行相關工作，其還具備完善的中斷系統(tǒng)，內部還有大量線路對各零件進行連接，同時，部分接口具備一定開關功能，在啟動時需要工作信號進行開啟。串行通信編程由查詢模式和中斷模式組成的，三菱PLC和單片機的組合使用中斷串行通信編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。因此，中斷模式下的通信流程是指在串行端口發(fā)送接收數(shù)據(jù)時，由硬件系統(tǒng)設定TI或RI以啟動中斷服務程序，中斷服務程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。

4.3 串行通信系統(tǒng)應用方式

串行通信系統(tǒng)的單片機的串行接口位置，必須根據(jù)完成數(shù)據(jù)傳輸和接收操作的作業(yè)要求，特別設定為數(shù)據(jù)寄存器。另外，在數(shù)據(jù)輸入完成后，還需要研究數(shù)據(jù)傳輸階段是否穩(wěn)定可靠。為了進一步提高接收數(shù)據(jù)發(fā)送的設備的穩(wěn)定性，可以在數(shù)據(jù)發(fā)送PLC的接收側編輯內部參數(shù)，在數(shù)據(jù)接收時進行響應，將來自低位、高位、發(fā)送文本功能代碼、結束代碼等串行通信系統(tǒng)的信息以命令幀的形式發(fā)送給任務，在其收到后進行分析和處理。在這個過程中，單片機負責通信，并與PLC合作以完成通信程序的編輯，完成運行中接收數(shù)據(jù)和溫度測量地址設定的PLC通信程序的處理，單片機為了完成通信程序的編輯而與PLC協(xié)作后，通信數(shù)據(jù)將在外部檢查代碼被清除后發(fā)送。考慮到在串行通信系統(tǒng)工作期間串行通信系統(tǒng)存在許多延遲程序，單片機與PLC協(xié)作以在數(shù)據(jù)接收和處理的處理過程中完成數(shù)據(jù)處理，從而啟動字符以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

另一方面，為了采用異步通信模式，收發(fā)裝置的時鐘需要盡可能保持一致性。異步通信的數(shù)據(jù)類型比較復雜，包括起始位、數(shù)據(jù)位、檢查位、停止位等數(shù)據(jù)，全部收在字符幀內。發(fā)送端和接收端的時鐘需要嚴格一致，這樣才能容易實現(xiàn)期的傳輸。總體而言，設備成本較小，每個字符為起始位和停止位增加2～3位，另外，幀之間存在間隙，傳輸效率比較緩慢。目前的串行異步通信主要還是基于單工、半雙工、全雙工和其他傳輸模式。

4.4 硬件選型

在工業(yè)生產中，PLC和單片機都是不可替代的，PLC和單片機通過串行通信進行互相連接，應用于自動化生產的APP里，從而實現(xiàn)其最大的功能。例如，塑料擠出機使用串行通信系統(tǒng)可以自動調節(jié)和控制設備，PLC和單片機必須靈活適應業(yè)務需求，并與硬件設備結構相結合。

目前，由于西門子s7-200系列PLC在整體設計上具有更緊湊、更完整的功能內容，因此，可以將其認為是PLC組件的首選。使用s7-200系列的PLC，通過完成各種任務，可以取得良好的工作結果。同時，它具有簡單的動作功能和極強的通信功能，應用于自動化控制領域后，可以提高設備的運用效率。

在PLC和單片機之間的串行通信過程中，需要考慮通信標準中對驅動器和驅動器之間的平衡接受，掌握相關參數(shù)，建立新的接口標準。在選擇MX495E時，需要判斷系統(tǒng)的內部數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。最后，microchip企業(yè)銷售生產的單片機不僅高速運行，而且能耗低，有機會同s7-200系列的PLC組合實現(xiàn)串行通信。將串行通信系統(tǒng)應用于自動化設備后，可以進一步提高設備自動化操作的效率。但是，一方面在進行串行通信之前，必須確保單片機集中式串行通信模塊的相關參數(shù)滿足工作需要。另一方面，在單片機和PLC設備之間的遠程系列通信中，需要注意外部電路連接的布局和驅動性能。了解硬件選擇的關鍵點，為使PLC和單片機達到預期的工作效果，完成遠程串行通信任務，對各鏈路的參數(shù)設定賦予重要運行程度。

5 結語

PLC系統(tǒng)和單片機的組合，構成了能夠提供自動化良好運用效果的串行通信系統(tǒng)。串行通信系統(tǒng)建立后，需要更改通信協(xié)議，為了確保串行通信系統(tǒng)在APP應用中正常工作，必須加強串行通信系統(tǒng)的協(xié)議內容和系統(tǒng)功能，以確保根據(jù)業(yè)務需要安全地完成任務。串行通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，加快了工業(yè)生產產業(yè)的發(fā)展，提高了自動化相關設備的業(yè)務效率。但是，目前使用的APP還需要不斷的進行優(yōu)化串行通信系統(tǒng)的結構，進一步提高自動化裝置的自動化水平。