浅谈51内核单片机与FX系列PLC的通信设想

摘 要：文章介绍了FX系列PLC的通信协议、串行通信接口工作特性，提出了其与单片机通讯的设计思想，拟在两者之间实现串行通信的新概念，重点阐述了串行通信硬件接口电路的实现方法，设计力求结构简单，成本低，具有良好的可靠性，有望在将来推广应用于实际工程项目中。

关键词：51内核单片机；FX系列PLC；串行通信接口电路

中图分类号：TP368

可编程程序控制器（简称PLC）是一种较为普及的、适应多种应用环境的工业控制器），优点为可靠性高、抗干扰能力强、开发周期短，日本MITSUBISHI公司推出的超小型可编程控制器（FX系列PLC）采用模块化结构，配有丰富的功能模块，已广泛应用于我国的工业控制领域。AT89C51系列单片机是ATMEL公司推出的一种八位的高性能CMOS单片机，具有丰富的I/O功能，带有RAM、FPEROM和可编程串行通道等，也具有控制方式灵活，可靠性高等特点，适合于在工业环境中使用。本文主要介绍AT89C51系列单片机与FX系列PLC之间的通信设计思想，阐述其通信接口的实现方法，介绍一种实用的操作、显示单元。

在PLC组成的工业控制设备中，因为有键盘、显示这些外部的接口，因此必然要占用大量的I/O点资源，但如果能通过高性能的串行接口单元（SIU）来专门负责高速的串行通信任务，那么就可以把CPU解放出来集中解决数据处理或实时控制问题。三菱公司的FX系列PLC目前采用的RS—422A通信口就是采用的典型的全双工串行通信方式，它不仅可以与计算机实现1：1的通信，还可连接条码判读器、串行打印机等设备，通过单片机与PLC通信接口进行通信设置，对PLC各寄存器进行读写，就可充分利用单片机成本低、扩展方便的特点，使PLC应用更具灵活性。

1 接口电路设计

三菱公司的FX系列PLC利用RS-422异步全双工串行通讯口的双重功能，一类功能是采用简易编程器、MEDOC软件包等编程软件对PLC的软件进行下载、对PLC的内部状态和数据进行监控；另一类功能是与上位机进行数据通讯为了兼容单片机的SCI口电平，在其与PLC的串行口连接时就需要增加一个电平转换电路来实现RS-232C与RS-422之间的相互转换，如图1所示：

图1 接口电路设计图

上图所示常用的RS-422总线驱动芯片为SN75174、SN75175。SN75174是发送器，SN75175是接收器，亦可用SN75176，它是集接收器和发送器于一身的。给RS422A通信接口加装光电隔离电路（即光耦），可进一步提高PLC的抗干扰水平。

2 通信机制分析

在三菱FX系列PLC的内部有一个特殊功能寄存器D8120，我们通过对该寄存器的写入编程，按照一定的协议，就能实现与单片机之间的通信，由于接口采用的是422电气接口，因此在与单片机通信时，需满足：

（1）异步全双工串行通信模式，波特率9600bps；

（2）累加方式（和校验）的帧校验，且为偶校验；

（3）采用ASCII码字符形式。

在被发送的一个字节中，只有7位用于表示实际发送的数据，最高位用于奇偶校验。

进行通讯时，单片机可向PLC发通讯请求信号ENQ，在收到PLC发回的响应信号后，就开始数据通讯.通讯时字符信息帧格式如图2所示：

图2 信息帧格式

其中CMD是用来确定二者之间传送数据的命令字，有以下四种形式：

“0”（30H）读PLC目标元件状态或数据（X，Y，M，S，T，C，D）命令

“1”（31H）写PLC修改目标元件状态或数据（X，Y，M，S，T，C，D）命令

“7”（37H）强制单个目标元件状态（Y，M，S，T，C）为ON

“8”（38H）强制单个目标元件状态（Y，M，S，T，C）为OFF清零命令

若无校验错误时，PLC对ENQ的应答信号为ACK，对应ASCII码为06H；若检测到错误时，PLC对ENQ的应答信号为NAK，对应ASCII码为15H。

开始通信时，发送帧中的每个字符都要进行偶校验，从CMD开始到ETX结束的所有ASCII码字符值累加在一起构成一个校验和，如果校验和超过两位，取低两位，然后分别将低两位数值转换成对应的ASCII码值，在ETX后发送，高位在前，低位在后。

3 通信代码应答过程

AT89C51单片机作为通信主站，FX系列PLC作为从站，其通讯代码应答过程如下：

（1）指令码30H-读取PLC元件X、Y、M、S、T、C状态和T、C、D数据

通信格式为：

其中元件首址表示PLC内部各元件类型及起始元件号。例如：Y0的首址为00A0H，M200的首址为0319H等。

例：若现需读取PLC的Y0-Y7，Y10-Y17状态，2字节，则

其中：发送时30H+30H+30H+41H+30H+30H+32H+03H=166H

取低两位，校验码为66H，转换成ASCII码，即为36H，36H

接收时31H+41H+43H+39H+03H=0F1H

校验码为F1H，转换成ASCII码，即为46H，31H

接收到数据1为1AH，对应状态Y7-Y0；数据2为C9H，对应Y17-Y10

因此可知PLC中的Y1、Y3、Y4、Y10、Y13、Y16、Y17状态为ON，其余为OFF。

例：若现需读取PLC的D124、D125数据，4字节，则

4 AT89C51单片机的通信设置

在清楚两者之间的通信原理后，还必须设定正确的通信方式，即采用统一的波特率、起始位、数据位、停止位和偶校验位建立双方通信的应答信号。

AT89C51系列单片机的SC串行工作方式由串行口控制寄存器（SCON）、波特率控制寄存器（PCON）设置决定，波特率由定时器T1或T2的溢出率和SMOD1的状态决定并可变，在CPU的晶振为11.0592MHz时波特率采用9600bps。

因此可以设置寄存器T2CON为34H（定时器T2工作于波特率发生器方式），寄存器TH2和RCAP2H为FFH，TL2和RCAP2L为D9H（波特率9600b/s）；寄存器SCON为50H（串口工作方式1，允许接收）。

波特率控制寄存器一般只在复位后初始化时写入一次，以建立SCI通信波特率。

串行口控制寄存器SCON用于设置串行口的工作方式、监视串行口工作状态、控制发送与接收的状态等。它是一个既可字节寻址又可位寻址的特殊功能寄存器，地址为98H。

串行口的中断，无论是接收中断还是发送中断，当CPU响应中断后都进入0023H程序地址，执行串行口的中断服务子程序，这时由软件来判别是接收中断还是发送中断。而中断标志必须在中断服务子程序中加以清除，以防出现一次中断多次响应的现象。

在系统复位时，SCON的所有位均被清零。

PCON为电源控制寄存器，是特殊功能寄存器，地址为87H，PCON中的最高位与串行口有关，SMOD为波特率选择位。在方式1、方式2和方式3时，串行通信波特率与成正比。即：当（SMOD）=1时，通信波特率可以提高一倍。

方式2和方式3两者的差异仅在于通信波特率有所不同：方式2的波特率是固定的，由主频fosc经32或64分频后提供。

5 AT89C51单片机的通信流程

由于PLC处于被动通信，无需编制通信程序，而单片机具有优先传送权，因此需要编制上位机通信程序。通过编程实现发送命令帧和接收PLC发出的应答帧。主程序主要包括发送命令子程序、接收子程序、码制转换子程序（十六进制到ASCII码）及FCS帧校验子程序。

AT89C51单片机SCI系统是工作在查询方式还是中断方式下可根据实际情况灵活选择，但，当主站任务繁忙时，则不宜采用查询方式，避免影响主站工作效率。在中断方式下引发中断时，主站通过查询接收和发送标志位进行相应的接收和发送控制。单片机在发送写通道命令前必须置PLC为监视模式或编程模式，命令结束后重置PLC为运行模式。通信软件框图如图4所示：

6 结束语

上述三菱公司的FX系列 PLC与AT89C51单片机之间的串行通信方法既发挥了PLC控制稳定可靠、抗干扰能力强的优势，又发挥了单片机扩展灵活、适应性强的优点，两者优势互补，并通过有协议的串行通讯成功地解决了单片机与PLC的数据交换问题。本文的创新点在于该设计简易实用、安全可靠、成本低廉，解决了PLC与单片机的数据交换问题。

参考文献：

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[3]常斗南.可编程序控制器原理、应用、实验[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4]李华.MCS—51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.

[5]http：＼＼.中华工控网.

作者简介：揭吁菡，女，江西人，硕士，讲师，研究方向：计算机应用技术。

作者单位：南昌工学院民族教育学院二分院，南昌 330000