单片机与PLC之间的串行通信实现

1、引言

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。其中，PLC和单片机在小规模控制系统中获得了广泛的应用。

在塑料挤出机温度自动控制中，选用S7-200系列PLC作为主控器件，PIC16F877单片机作为温度数据采集和模数转换芯片，单片机通过通信端口将数据传输给PLC，由于采用了RS-485接口标准，传输距离可达1000m。PLC经过PID运算后控制加热圈以保持温度恒定。下面结合实例就PLC和单片机的通信实现做一下介绍。

2、硬件构成

2.1、PIC16F877单片机

Microchip公司的PIC16F877单片机采用哈佛总线结构和精简指令集技术，具有功耗低、运行速度高、驱动能力强和外接电路简洁的特点。PIC16F877单片机内部集成了串行通信模块即通用同步/异步收发器USART模块，主要应用目标是系统之间的远距离串行通信。USART模块所需的两条引脚是RC6和RC7，如图1所示，当发送允许位TXEN被置1，就可以把发送数据写入TXREG寄存器来完成发送。

2.2、S7-200系列PLC

S7-200系列PLC通信端口采用异步串行通信方式，通信端口标准采用平衡驱动、差分接受的RS485接口标准，可以组成半双工串行通信网络，构成分布式系统，系统中最多可以有32个站。S7-200支持多种串行通信协议，利用自由端口模式，可以通过语句表或梯形图编程，实现用户定义的通信协议，很方便地连接不同厂家的智能设备。在自由端口模式下，可以连续地发送或接收255个字节以内的数据，这在大块数据通信时是很方便的。

2.3、MAX485E芯片

MAX485E芯片是RS-485接口标准专用通信芯片，如图1所示，RO脚为数据输出脚，它接收RS-485的差模信号VAB，并转换为TTL电平由RO输出，RE脚为RO的使能端，低电平时选通RO，输出有效。DI脚为数据输入端，它将TTL电平的数据转换为差模信号VAB，并由A、B两脚输送出去，DE是DI使能端，高电平选通DI，输入有效。故A、B两脚既是RS-485信号输入端，同时也是该信号的输出端，关键是由使能端RE、DE的电平来决定。

2.4、硬件连接图

S7-200PLC采用RS-485接口标准，接收差模信号，而PIC16F877单片机的输出为TTL电平，所以二者在通信时必须先进行转换，本系统采用MAX485E芯片作为转换芯片，硬件连接如图1所示。由PIC16F877单片机的RC4选择数据的输入或输出。

图1  硬件连接图

3、通信协议

本项目中由于PIC16F877单片机只是发送数据，PLC单纯接收数据，所以采用单工串行通信。PLC采用自由端口模式协议，协议由语句表编程实现;单片机使用USART模块的异步发送模式，协议用汇编语言编程实现。由PIC16F877单片机的发送缓冲结构可知，一次只能连续发送两个字节的数据，故PLC采用字符接收完成中断比较方便。接口标准采用与PLC侧一致的RS-485，接头采用9针D形连接器，传输线采用屏蔽双绞线，单片机侧的发送数据需经转换后再发送。

字符信息格式为：1位起始位，8位数据位，无校验位，1位停止位。

异步通信的字符信息格式如图2所示。

图2    字符信息格式

数据位的发送顺序为低位在前，高位在后。

异步通信的传输速率即波特率选择为38400bit/s。为提高数据传输的可靠性，采用异或校验，报文采用定长发送，前四个字节参加异或校验，报文的最后一个字节为校验码。PIC16F877单片机的模数转换精度为10位，故温度值采用双字节保存。报文帧格式如表1所示。

表1报文帧格式

4、初始设置

4.1、PIC16F877单片机发送数据初始设置

PIC16F877单片机内部集成的USART模块使用的波特率应该和S7-200PLC相同，当采用高速波特率时，波特率寄存器SPBRG由下式计算：

SPBRG=F/（16×波特率）-1

式中：F———单片机时钟频率。

单片机的数据位、校验位、停止位要和PLC统一。

PIC16F877单片机最多只能连续发送两个字节的数据。其初始设置汇编语言程序如下：

LISTP=16F877A;伪指令

INCLUDE“P16F877A.INC”;伪指令

;-------------------体1设置子程序-------------------

T1BCFSTATUS，RP1;

BSFSTATUS，RP0;体1

MOVLWD′5′;38400bit/s

MOVWFSPBRG;

MOVLWB′00100100′;异步，发送使能

MOVWFTXSTA;高速，8位数据

MOVLWB′11101111′;RC6，RC7，

MOVWFTRISC;RC4通信

CLRFINTCON;禁止中断

RETURN;子程序返回

;-------------------体0设置子程序-------------------

T0BCFSTATUS，RP0;体0

BSFPORTC，4;RC4=1通信

MOVLWB′10000000′;使能串口

RETURN;子程序返回

4.2S7-200PLC接收数据初始设置

CPU处于STOP模式时，自由端口模式被禁止，使用其它模式的通信，例如与编程设备的通信。只有CPU处于RUN模式时，才能使用自由端口模式。如果使用通信端口0通信，将通过特殊存储器SMB30进行初始设置。

Network1

LDSM0.7//若为RUN模式

EU//上升沿

OSM0.1//或首次扫描

MOVB16#01，SMB30//38400bit/s，8，N，1

ATCHINT0，8//中断与int0连接

ENI//允许中断

Network2

LDNSM0.7//若非RUN模式

EU//上升沿

RSM30.0，1//设置为PPI协议

DTCH8//禁止中断

5、通信程序

5.1、PIC16F877单片机发送数据通信程序

报文采用定长发送，每一帧报文由五个字节组成，每一温度值都经数字滤波后再发送。由于温度值变化缓慢，对通信的实时性要求较低，在发送数据通信程序中加入了较多的延时程序。由于波特率时钟依赖于系统时基振荡器，所以单片机进入睡眠状态时不能进行异步通信。单片机发送N个测温点温度数据通信程序流程图如图3所示。

图3  单片机程序流程图

5.2、S7-200PLC接收数据通信程序

PLC采用字符接收完成中断接收数据，通过起始字节判断接收数据帧的开始，由数据长度决定接收数据帧的结束，采用异或校验提高接收数据的可靠性，S7-200PLC在接收完一帧数据后计算出接收到数据的异或校验码，并与单片机传送过来的校验码比较，如果不同就舍弃，不要求重发。本应用中传送数据为温度值，舍弃后接收下一个数据即可。PLC接收数据通信程序流程图如图4～图6所示。

6、结论

由PIC16F877单片机和S7-200PLC组成的串行通信系统，采用平衡驱动、差分接收的RS-485接口标准，与TTL电平兼容，具有开发简单、成本低的优点，经过试用证明性能稳定、运行可靠、抗干扰能力强。如果需要，也可以进行半双工通信或略作改动组成多机通信网络。