基于PLC和单片机实现的数据采集控制系统设计

武振慧

摘要：PLC和单片机是目前最为常用的两种控制器件。本文介绍了一种基于PLC和单片机实现的数据采集控制系统设计。

关键词：PLC；单片机；数据采集；控制系统

在工业控制过程中，需要对被控制对象的实时数据进行采集，并且根据采集数据的实际情况，对其进行实时的监控及远程的控制，以完成相应的控制任务。

在现代工业控制中，对控制的准确性判断及控制的实时性和稳定性需求都很高，所以要有一种可进行数据采集的控制系统，而且这种系统要能实现多通道高精度以及大容量的要求。因此，对单片机与PLC的数据采集控制系统设计进行研究具有非常重要的现实意义。

一、单片机概述

单片机（Microcontrollers）又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。同时，它也是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到目前的300M的高速单片机。

二、单片机的软件设计

单片机系统的软件设计包括了单片机对A/D的采样控制和PLC的串行通讯。由于单片机与PLC通信要求使用相同的波特率，且传输的数位相同，所以在单片机串口的初始化设置中将波特率的定时器1、串口的控制和中断控制按如下步骤进行：①确定定时器1的工作方式：TMOD=0x20；②确定定时器1的初值装载：TH1=0xfD；TL1=0xfD；③启动定时器1：TR1=1；④确定串口的控制：SCON=0x52；⑤计算波特率：波特率的设置应与PLC的通信协议一致，选择的晶振为11.0592M，波特率=2SMOD/32×定时器1的溢出率（式中SMOD为PCON寄存器的最高位），溢出率=11.0592×106×（213-TL1+3+1+2+2+1）/12），PCON=0x00；得串口波特率为9600 b/s。

单片机设定了工作在串口方式1，它的帧格式为1个起始位，8个数据位，1个停止位；而PLC要求的是1个起始位，7个数据位，1个偶校验位，1个停止位。所以单片机发送数据时要把数据的最高位设置成偶校验位，这样才能顺利通讯。

三、PLC与LabVIEW的串行通信

由于FX系列PLC只有RS422和RS485的串行通信接口，所以与PC机进行串口通信时要接一个RS232与RS422（或RS485）的转换电缆，完成通信的硬件连接。

1、PLC与上位机LabVIEW的通信设计。用PC机的RS-232接口与PLC通信，需要对PLC一些参数进行配置。采用FX系列PLC的默认设置为：启动位：1位；数据长度：7位；停止位：2位；奇偶校验：偶校验；波特率：9600 b/s。

通信格式设置完后，PC机开始向PLC传送数据。①通信开始先由PC机向PLC发出呼叫，由于是一对一的呼叫，无需地址码；②PLC接受到呼叫信号后，以相应的字符发送应答信号；③PC机收到正确的应答信号后，将数据传送给PLC；④PLC接收到数据后，以相应的字符发送结束信号；⑤PC机收到结束信号后停止传送数据，通信结束。

在LabVIEW的程序中可采用下列步骤实现与PLC之间的通讯：①初始化串口，设置双方通讯的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等，与PLC的设置相同；②把要发送的数据按PLC命令帧的格式打包；③写端口，把整个命令帧发送到串口；④延时等待PLC的应答帧到达串口；⑤读串口，读取PLC的应答帧；⑥把读取的应答帧解包，读取相应的数据。

其中@表示一帧的开始，上位机按“节点号”来识别PLC；识别码是两个字符的上位机命令代码，它表示上位机要对PLC进行何种操作；正文包括起始字和字数，起始字是指要读写通道的起始地址，字数是指要读写的通道个数；FCS码（两个字符）用于校验，由上位机计算并设置在命令帧里，安排在终止符前，以检查在传送数据时是否发生错误。FCS码的具体算法是：从一帧数据的开始到帧正文结束（FCS之前）所有数据字符ASCII码执行“异或”操作的结果，此结果是一个8位二进制数，然后分别把其高4位和低4位转换成两个16进制数表示的ASCII码；终止符是“*”。

同理，PLC在接收命令帧后要返回相应的应答帧，其格式就是在识别码的后面加一个结束码，结束码表示返回给PLC的错误代码，若正确为00H，其他为不同的错误代码。

2、上位机LabVIEW的监控界面设计。本系统要求用上位机来完成现场采集数据的显示，并能通过PLC对现场设备进行控制，所以需设计显示采集数据的显示窗口和发布控制命令的命令窗口。

3、基于B/S模式的LabVIEW远程控制功能。LabVIEW中的远程面板（Remote Front Panel）采用了B/S模式，把一个VI的前面板直接嵌入到Web网页中，使Internet上的客户端能看到一个动态刷新的实时画面，而且客户端获得授权后还能对前面板进行远程控制。同时，由于LabVIEW中内嵌了Web服务器的功能，所以不必再开发Web服务应用程序，只需通过简单的设置就能将原来单机版的测控系统升级为基于Web的远程测控系统。

远程面板技术实现首先需设置Web服务器：激活Web Server服务，设置發布文件所在根目录（RootDi rec tory），指定记录Web登录信息的文件（LogFile）；设置浏览访问控制列表（browser acces s list），客户端用户具有监控、监视、及拒绝访问三种访问权限，能有效控制不同重要程度的访问客户端；设置VI可见性（Visible），将需要远程控制的VI的名字添加到列表框中，以便远程客户端进行访问；创建HTML文件，修改HTML文件中的参数。可利用LabVIEW的Web Publ ish工具进行创建。然后设置访问客户端：安装LabVIEW运行引擎（LabVIEWRunTime Engine）；打开浏览器，输入对应的URL。

四、结语

综上所述，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。另外，在工业控制领域里，数据采集与控制系统密不可分，而单片机与PLC分别是这两个部分的核心。但两者各有其特点，因而在实际的应用中希望把两者结合在一起，进而实现更加优化的设计。

参考文献：

[1]赵子恺.可编程控制器与LabVIEW的通讯实现[J].微计算机信息，2014（03）.

[2]李铁.基于单片机的数据采集系统设计[J].信息技术，2015（04）.

[3]邴春秋.基于PLC和单片机实现的数据采集控制系统设计[J].西华大学学报（自然科学版），2014（06）.

（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司）