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1、上海交通大学硕士学位论文 I基于单片机的通用控制器设计与实现 摘 要基于单片机的通用控制器设计与实现 摘 要 可编程逻辑控制器 （PLC） ， 是一种为工业控制特别设计的专用计算机。因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用于工业控制。 本课题在分析主流 PLC 的体系结构、 工作原理与常用指令集的基础上，设计了一个基于 ADuC841 单片机的小型通用控制器， 目的是在小型控制系统中能够替代小型 PLC，实现更加灵活的应用方案并在保证可靠性的基础上大大降低成本。 本课题所设计的系统在硬件设计上参照 PLC 的体系结构， 在 ADuC841单片机的
2、基础上扩展了丰富的外围设备，实现了 PLC 的大部分功能模块，包括中央处理器（CPU） 、数字量 I/O、模拟量 I/O、串口通信、人机界面等，并设计了专门的输入输出点处理电路，使系统具有良好的抗干扰特性和驱动能力。软件设计上为了使系统能够执行 PLC 指令，首先在研究常用 PLC指令集、分析其特点的基础上设计了部分 PLC 指令的编码表，然后分别设计上位机和下位机软件，上位机对用户程序进行编码并发送给下位机，下位机接收上位发送的数据并对其进行解码，然后调用相应的 C51 函数进行解释执行。 上位机以 LabVIEW 为开发工具开发了对用户程序进行文本处理和编码的软件，使用户编写的 PLC 程
3、序能够转化成易于下位机存储和识别的方式。 下位机采用交叉开发的方法， 利用 Keil 开发工具和 C51 编程语言，在分析 PLC 的运行原理的基础上设计下位机系统软件，使系统能模拟 PLC上海交通大学硕士学位论文 II的工作方式，并移植了嵌入式实时操作系统 RTX51 TINY，简化了任务管理的工作并提高了可靠性。针对常用的 PLC 指令开发了对应的 C51 函数，实现对用户程序的解释执行。上位机和下位机通过串行口进行通信，实现了用户程序的下载和数据交换。 基于单片机 ADuC841 的通用控制器设计， 适应了工业控制机向嵌入式发展的趋势，提供了更灵活的软、硬件方案，并大大降低了控制系统的成
4、本，具有较高的实用价值。 关键词：PLC，单片机，嵌入式系统，ADuC841，RTOS上海交通大学硕士学位论文 IIIDesign and Implementation of a General-Purpose Controller based on Singlechip ABSTRACT Programmable logic controllers, also called programmable controllers or PLCs, are special-purpose computers used for industry control. They are easy to co
5、nfigure and program, foreseeable when running, and can keep working well even in tough industry environment. So PLCs are widely applied in industry control. On the basis of analyzing the architecture, principle and frequently used instructons of popular PLCs, a small general-purpose controller based
6、 on ADuC841 was designed in this paper, as a substitute for PLCs in some small control systems. This controller can be configured and program in a more flexible way, and reduced the cost largely on the premise of good reliability. In repect of hardware design, the system introduced in this paper des
7、igned plenty of peripheral equipment based on ADuC841 according to the architecture of PLCs, realized most of the necessary modules of PLCs, including CPU(Central Process Unit), digital I/O, analog I/O, serial port communication, human-machine-interface, and so on. Special process circuit is designe
8、d for I/O device, which enhanced the systems ability for anti-interference and drive. As to software, in order to enable the system to implement the PLC instructions, first a coding table was designed on the basis of studying the frequently used PLC instructions and analyzing its characteristic. And
9、 then a PC software and singlechip software was developed respectively, the former code the user program and send it to the singlechip, and the latter receive the data, decode it, and call corresponding C51 functions to conduct the PLC instructions. The PC software is developed with LabVIEW, and the
10、 singlechip software with Keil 上海交通大学硕士学位论文 IVC51. On the basis of analyzing the principle of PLCs, the controller system software is developed to imitate the working of PLCs. And the embedded real-time operation system was transplanted to the singlechip, which simplized the work of task management
11、and enhanced the reliability of the software. Corresponding to PLC instructions, a set of C51 functions was developed to realize the conduct of user program. The singlechip system communicated with PC by serial port, which support the user programs downloading and data exchange between singlechip an
12、d PC. The design of this embedded controller based on singlechip ADuC841 comply with the trend of the development of industry control, provide a more flexible way to develop control system, and reduced the cost largely, possesses high practical value. Key words: PLC, singlechip, embedded system, ADu
13、C841, RTOS上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：辛巍 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定
14、，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：辛巍 指导教师签名：王冰 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 绪论第一章 绪论 1.1 课题的提出 1.1 课题的提出 可编程逻辑控制器（PLC） ，又称为可编程控制器（PC） ，是一种为工业控
15、制特别设 计的专用计算机。因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可 以保持正常工作，所以广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，成为一 种最重要、 最普及、 应用场合最多的工业控制装置， 成为工业自动化领域强有力的工具， 并且与机器人、CAD/CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱。 在所有的 PLC 种类中，微型 PLC 是占有市场份额最大的一种。微型 PLC 是指 I/O 点数少于 64 点的 PLC，这一类 PLC 主要应用于单台设备的控制，在纺织机械、数控机 床、塑料加工机械、小型包装机械和小型疲劳试验机等设备上运用广泛。微型 PLC 的 应用比例占到所有
16、 PLC 产品的 40%以上9。 我国PLC市场绝大部分被国外的产品所占领，主要是欧美，日韩等发达国家，国产 化率很低，国内PLC的制造厂家基本上以合资企业为主，拥有自主知识产权的国内厂家 很少。 这主要是由于PLC的核心技术被发达国家垄断， 尤其是CPU模块， 而CPU又是PLC 工作的核心部件。近几年来，随着微控制器技术的发展，高性能单片机层出不穷，功能 日益强大，由于产量的大幅增加成本也不断降低，使我们可以考虑使用现成的高性能单 片机作为CPU模块来研发具有自主知识产权的PLC。 由于微型PLC的研发相对比较容易， 且应用最为广泛，因此我们可以考虑从微型PLC入手，设计一个基于单片机的通用控制 器，实现微型PLC的精简控制功能。 另一方面，近年来嵌入式技术的发展成果也为本课题的研究提供了便利。嵌入式技 术将软、硬件的开发过程更紧密地结合起来，并将实时操作系统等高级的软件工具引入 单片机的程序编制过程中，使得利用单片机能快速地开发比较复
