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1、1引言可编程控制器(以下简称PLC)由于其高可靠性、编程简单、通用性强、 体积小、结构紧凑、安装维护方便等特点，而在工业控制中得到了广 泛应用。PLC的模块一般分为以下几大类:开关量输入模块、开关量 输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。在工业控制中特别是 过程控制领域中需要采集和控制的模拟量比较多，因而对PLC的模 拟量输入、输出模块需要的较多，而模拟量输入、输出模块比较贵， 增加模拟量输入、输出模块就增加了成本，降低了整个系统的性价比， 限制了 PLC的应用。本文提出了一种基于通讯的模拟量输入、输出 模块的扩展方法力图解决这一问题。2基于通讯的模拟量输入、输出模块的扩展方法(1)模拟量
2、输入模块扩展这里以一路12位模拟量输入为例，模拟信号以05V标准电压 的形式送入信号输入端，应用12位A/D转换芯片MAX187实现模 数转换。MAX187是12位串行A/D,具有较高的转换速度，采样频 率是75kHz,适用于较高精度的过程控制。考虑到实际工业现场中 的高频干扰，在采样信号送MAX187之前还使用了低通滤波器滤 波，如图1所示。图1低通滤波、放大器及A/D转换MAX187具有内部参考电压，既4#管脚(REF)为4.096V，因此，A/D 转换的全量程为4.096V。而输入信号是05V,因此，要加一级运放 把05V 转换成04.096V后送入 MAX187。 AT89C52的P1
3、.3和MAX187的片选端(CS)相连、AT89C52的 P1.4和MAX187的串行时钟 信号端(SCLK)相连、AT89C52的 P1.5和MAX187的串行数据输出端 (DOUT)相连。模拟量采样的值存入单片机的内存中，再由单片机的 串行口传送给PLC。A/D转换的C51程序如下：#include#includesbit IC4_S = P1A4; /* AD 输入端口设置 */sbit IC4_D = P1A5;sbit IC4_C = P1A3;void input(void ) unsigned char idata i;unsigned int idata result=0x00
4、00;IC4_C = 0; /* CS端为低电平*/for(i=0;i12;i+) result = result 1;IC4_S = 0; /*时钟端产生时钟脉冲*/IC4_S = 1;if( IC4_D ) result+; /*从串行数据输出端读入A/D转换数据*/IC4_C = 1; /* CS端为高电平*/pdat1 = result;MAX187的工作时序图见图2。图2 MAX187的工作时序图(2)模拟量输出模块扩展这里以一路12位模拟量输出为例，设计中将采用12位D/A转换芯片MAX531来实现数摸转换。我们在MAX531的输出端接运算放大器， 将模拟输出调节至05V,输出部分
5、的硬件电路如图3所示。这里， MAX531是12位串行D/A,具有较高的转换速度,MAX531具有内部参 考电压，既10#管脚(REFOUT)为2.048V，因此，D/A转换的全量程 为2.048V。而输出信号一般要求是标准的05V，因此，要加一级运 放把 MAX531输出的02.048V信号转换成05V信号。AT89C52 的P1.0和 MAX531的串行时钟信号端(SCLK)相连、AT89C52的 P1.1 和 MAX531的串行数据输入端(DIN)相连、AT89C52的P1.2和 MAX531的片选端(CS)相连。PLC把要输出的模拟量通过串行口传送 给单片机，存入的内存中，再由单片机完
6、成D/A转换进行输出。A/D 转换的C51程序如下：图3 D/A转换及放大器原理图#include#includesbit IC2_S = P1A0; /*DA 输出端口设置 *sbit IC2_D = P1A1;sbit IC2_C = P1A2;void output(unsigned int dat) unsigned char idata i = 12;IC2_C = 0; /* CS端为低电平*/while( i-) IC2_S = 0; /*时钟端产生时钟脉冲*/if ( dat &0x0800 ) IC2_D =1; /*从串行数据输入端读入DA转换数据*/ else IC2_D
7、 =0;IC2_S = 1;dat = dat 1;IC2_C=1; /* CS端为高电平*/MAX531的工作时序图见图4。图4 MAX531的工作时序图3 PLC与扩展模块之间的通信接口及通信协议dinJi4ii1-_ ir Mp1_14 3F1iii1(1)通信接口以松下FP1系列PLC为例来阐述PLC与扩展模块之间的通信，FP1 系列PLC的通信接口采用标准9芯RS232接口，它与扩展模块之间的 接线如图5所示。图5扩展模块与PLC的通讯连接扩展模块的RXD端与PLC的TXD端联接，使扩展模块接收到PLC 发出的数据；扩展模块的TXD端与PLC的RXD端联接，使扩展模块发出的数据 被P
8、LC接收到；扩展模块的地与PLC的SG端互联，使两者的工作基准地电平相同。 上面采用的是RS232接口，PLC 一次只能扩展一个模块。如果要扩展 多个模块，可以采用RS485接口，现代的PLC 一般都带有RS485接 口。(2)通信协议松下FP1系列PLC与扩展模块之间的通信协议为松下公司专用的 MEWTOCOL-COM协议，该协议采用异步通信方式，其波特率有 1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200bps 等多种 可选，且报文长度可变可固定。该协议格式分为命令消息(CommandMessage)，正常响应消息(Response Message-
9、normal)，出错响应消息(Response Message-error)三种。命令消息%A DA DQC omm andco血Text codeECCGOBCCQC R正常响应消息$A DA.D$ResponsecodeT亡ct codeBCCBCCUC R出错响应消息%A DA DDIErrorErrorDBCCBCCO匚R其中：为起始符，标记每一帧报文的开始；CR为结束符，标记每一帧 报文的结束；AD为PLC的站地址，为两位16进制数，如00则表示第一台PLC;#、$、！标注该帧报文为何种类型。Command code为命令代码，如例1中的“RD”,表示读数据区。Response co
10、de为响应代码一般返回接收到的命令消息中的命令代码。Error(H) 和Error(L)为出错代码，是两位16进制数，可根据其值在协议中查出 错误的描述。Text code为命令参数，如例1命令消息中“D 01105 01107”，“D”表示 数据寄存器，“01105 01107”表示第1105号至1107号，而在例1响应消 息中，“6300 4433 0A00”则表示DT1105至DT1107中数据分别为6300、 4433、0A00。BCC(H)和BCC(L)为前面字符串的BCC校验码的高、低位，为两位 16进制数。其初值为0，然后从起始符开始与该帧报文中每一字节按 位进行异或运算得到。l
11、例1:读取DT1105至DT1107中的数据的命令消息如下：X 01#Q11UT 57 匿若DT1105至DT1107中数据分别为6300、4433和0A00, PLC返回的响应消息如下：M 01 f RD 閃叩 4433 OAflO 62 CR那么，模拟量输入扩展模块与PLC通讯的报文可如下：X 01 * TO D 011U5 0L105 Off 32 直表示1号模拟量输入扩展模块把模拟量采样值0FFF存入PLC的第1105个数据寄存器模拟量输出扩展模块与PLC通讯的报文可如下：$014D 011 咄 01 価 02 at表示1号模拟量输出扩展模块请求把PLC中第1106个数据寄存器保存 的
12、模拟量输出值读入。若DT1106中数据为0fff, PLC返回的响应消息如下：X 01Qfff 45 CR1号模拟量输出扩展模块就把接收到的数字量0fff转换成模拟量输出。4结束语本文提出的方法已在实验室中调试通过，并多次长时间运行测试，以 验证其准确性与稳定性，收到了令人满意的效果,通信十分稳定可靠。 各位读者可在本文的基础上，开发出8路、16路8位、10位、12位等模 拟量输入、输出扩展模块；本文使用的是松下公司已有的 MEWTOCOL-COM协议，读者也可以自己编制通讯协议。本文意在 提出一种低成本的PLC模拟量输入、输出模块扩展方法，如果要把 它变成产品还有很长的路要走，例如，如何让用
13、户使用得更方便，可 靠性更高等等。这些都是需要进一步完善的。参考文献1 NASI可编程控制器(FP系列)FP1硬件技术手册Z.松下电工株式 会社，1999.2 松下PLC MEWTOCOL-COM 通信协议Z.松下电工株式会社， 1999. 甘朝晖，张 震.计算机与松下FP1系列可编程控制器的通信J. 电气自动化2002,(5):43-44.作者简介甘朝晖(1969-)男副教授现在武汉科技大学信息科学与工程学院任 教，研究方向:智能控制及电力电子技术。模拟量采集电路图在该系统中主要考虑模拟前端为传感器，从传感器送来的是标准 信号(即4mA20mA)，这样设计具有一定的通用性，只要前端接 不同的传感器就可以采集不同的信号源。由于A/D转换基准为电 压，也就是参考源为电压，所以A/D转换的是电压，这样需要将电 流信号转换成电压信号。图为模拟量采集具体的电路由图可以看出，采集电路通过一个电阻将电流信号转换成电压信 号，为了提高采集的进度，需要采用高精度的电阻，这里采用的是精 度为1%的电阻。电路中采用二极管作为ESD保护电路，考虑到干扰问题，采用电容进行滤波处理，增加采集电路的抗干扰问题。A 1图模拟量采集电路图
