隨著高職教育的迅速發展，將PLC技術引進高職教學並作為一門較為重要的課程，在高職教育中已達成共識，是課程建設現代化的重要措施。本文在研究 AT89C55單片機後，以該單片機為核心設計了一個綜合PLC系統，集成了多路開關量I/O及模擬量輸入，並可以通過RS232/RS485與上位機進行通訊，已經作為若干高校的實驗設備使用，並且，在要求較高的工程項目中也得到了具體的應用。
1 PLC的硬體功能設計
該PLC的設計思想基於三菱PLC的操作語言，仿照三菱編程器的操作，利用AT89C55單片機作為主控晶片，輔以其它晶片完成相關功能，其邏輯圖見圖1所示。為了達到教學目的，在設計思路上和常規的PLC有幾個不同點：一是為了使學生更多地接觸不同的輸出方式並進行相關的實驗，設計了兩種輸出形式，即8路繼電器輸出和4路電晶體輸出，而且，繼電器輸出的端子中有四路沒有公共端子，三個端子完全引出，由學生自由組合，可擴大控制範圍；二是在輸入上，除了16路開關量輸入外，還設計了2路模擬量輸入和高速開關量計數器輸入；三是原始碼開放，工科院校自控和計算機專業都開設單片機課程，由於條件所限，學生將實踐和學習相結合的機會並不多，鑑於這種情況，將原始碼開放，學生可以學習、補充、修改程序，既完善了PLC程序，又鍛鍊了教師和學生。
在大部分PLC中，例如，三菱[1]、歐姆龍和西門子等，上述功能一般由獨立的模塊來實現。這裡將各種功能集成到一個PLC 模塊中，可以降低實驗設備的成本。在圖1中，為增加學生對輸出模塊的認識，可控矽模塊可以和繼電器模塊互換，結構只是一個可控矽光耦（例如 MOC3023）驅動一個雙向可控矽（例如BTA10-600）。
IC卡的目的是當學生使用編程器編程時，用來記錄學生的程序，有利於程序的修改和調試以及教師評分，用於實際工程項目中的PLC省略此功能。串行通信接口支持RS232和RS485兩種標準，撥碼開關給出本機地址，使用RS485接口組成監控網絡時使用。
2 單片機語言的選擇及系統軟體設計
一般說來，現在通用的單片機程式語言有彙編語言和C語言，C語言編程方便、易讀，但需要佔用較多的內存，從而導致執行速度變慢。PLC是以循環掃描程序行的方式來工作的，對實時性要求較高，一個掃描周期一般不大於20ms，這樣，當程序較長時，速度就顯得尤為重要了。因此，選擇彙編語言作為PLC的系統設計語言。
由於PLC語言是面向用戶的，可以支持的語言並不是單片機可識別的，而且要求可以由用戶修改並下載到單片機的程序存儲器中，因此需要一個解碼模塊，在執行中把每一行用戶程序翻譯成機器可識別的子程序或過程。具體實現的方法為：
用戶程序4個字節為一幀：「XX XX XX XX」，其中第一字節為命令，例如，OR、 MOV、OUT等；第二字節為執行元件，例如，繼電器、輸入等；第三、四字節為相關數據，這與不同的命令內容相關，例如，「01 10 00 03」定義為「LD Y 03」，「00 XX XX XX」定義為「NOP」等。但是，數據區不足以表達數據，可以有後續數據，也是4位元組為一幀，以FE為第一字節，例如，「FE XX XX XX」，這樣，就將命令幀和數據幀區分了。用戶程序下載到 EEROM（FM25640），由主程序依序讀出，再交解碼模塊翻譯後執行。
程序中較難實現的是繼電器的上升沿或下降沿檢測。在PLC語言中許多情況是要檢測上升沿或下降沿的，有近千個繼電器，在每個循環中對所有的繼電器都進行檢測記錄，無論時間或記錄位置（寄存器）都是難以實現的，故開闢了一個存儲區，專門記錄激活了（即使用中）的繼電器狀態，在程序運行前，先對繼電器掃描，把激活的繼電器依序登錄，當程序運行到該繼電器時就對該繼電器進行當前狀態同前一周期狀態比較登記，當前一次狀態與當前狀態相反時便認為是上升沿（或下降沿）到達。
3 開關量I/O的軟硬體設計
開關量I/O是PLC的重要內容，一般來說，為了提高抗幹擾能力，輸入與MCU之間是通過光耦隔離的，考慮到成本和儘量減少接口的佔用，採用16選1模擬開關CD4067（U8），4條地址線用4個光耦521-1（U10-13）隔離。
由於受光耦響應速度和掃描周期的限制，不允許使用每個周期依序查詢的辦法，故在程序中設計了一毫秒定時（2）中斷，每毫秒查詢一個接口，同時將接口狀態映射到BIT 30H-3FH，因此，只需要對BIT30H-3FH查詢，便可知道接口狀態。中斷程序如下：
ORG 2BH
LJMPINPUT ;每毫秒中斷一次
INPUT:PUSH PSW
PUSH ACC
PUSH DPL
PUSH DPH
MOV C, P1.4
MOV A, 25H
MOV DPTR, #INPUT1
RL A
RL A
JMP @A+DPTR
INPUT1: MOV 30H, C
SJMP INPUT2
MOV 31H, C
SJMP INPUT2
MOV 32H, C
SJMP INPUT2
MOV 33H, C
SJMP INPUT2
MOV 34H, C
SJMP INPUT2
MOV 35H, C
SJMP INPUT2
MOV 36H, C
SJMP INPUT2
MOV 37H, C
SJMP INPUT2
MOV 38H, C
SJMP INPUT2
MOV 39H, C
SJMP INPUT2
MOV 3AH, C
SJMP INPUT2
MOV 3BH, C
SJMP INPUT2
MOV 3CH, C
SJMP INPUT2
MOV 3DH, C
SJMP INPUT2
MOV 3EH, C
SJMP INPUT2
MOV 3FH, C
INPUT2: INC 25H
ANL 25H, #0FH
ANL P1, #0F0H
MOV A, 25H
ORL P1, A
POP DPH
POP DPL
POP ACC
POP PSW
RETI
首先保護PSW、ACC和DPTR，讀入當前輸入P1.4至C寄存器。25H是CD4067的地址映像，指向當前輸入地址，將當前地址乘以4（跳轉地址佔4個字節），跳轉到相應位置得到輸入映像，指向下一個輸入地址，然後，恢復被保護的寄存器，返回。程序代碼長度為103個字節，執行所佔用的時間為 0.018毫秒，完全滿足PLC的實時性要求。
輸出分為兩部分，8個繼電器輸出和4個電晶體輸出，由於單片機上電時埠被置位，為了防止出現上電時誤導通，故而選用PNP管8550作為繼電器的驅動管，使得上電時電晶體處於截止狀態。在軟體上只要對相應埠復位，繼電器動作。
4 PLC的測試與應用
利用文獻[2]中的通用多功能計算機監控系統測試軟體，在攝氏40℃以上的環境中對PLC進行測試，採用CRC校驗，每4秒發送一個數據包，連續測試48小時，PLC都能夠成功識別數據包，並返回正確的結果，完全能夠滿足實際的工程要求。
內蒙第一機械製造集團公司是國有特大型企業，生產軍用裝備。該公司的液壓件打壓試驗臺，就是採用該PLC進行監控的。全部試驗過程通過PLC、數據採集卡、工控機等進行控制。試驗過程及結果通過計算機顯示屏隨時監控，並通過印表機列印輸出試驗數據。
在北方奔馳重型車輛製造有限公司的發動機轉速測量中，也使用了該PLC。這兩個監控系統目前運行可靠。該PLC還批量投入實驗室使用，在高級技工考試中也得到了成功的應用。
本文作者創新點
本文利用AT89C55單片機實現了工業和教學使用的PLC系統，系統穩定可靠，並用於實際的工業控制系統和教學設備中，對於替代昂貴的進口PLC和節省教育經費具有重要意義。
作者簡介：王建明(1957-)，男（漢族），內蒙古包頭人，包頭職業技術學院副院長，副教授，主要從事計算機監控技術的開發研究。E-mail: wjm7591@yahoo.com.cn
Biography: Wang Jianming, male, the Han nationality, born in 1957, deputy headmaster and associate professor of Baotou Vocational Technical College. His main research field is the development of computer monitor system. E-mail: wjm7591@yahoo.com.cn
參考文獻
[1] 沈世斌. 三菱PLC 與PC 機間的通訊應用[J], 微計算機信息, 2006,22(4-1):81-83.
[2] 王建明. 智能設備的通用測試.工業控制計算機, 2002, 15(12):10-12.