支持RS485接口的PLC與單片機的通訊

2021-01-10 電子發燒友
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支持RS485接口的PLC與單片機的通訊

發表於 2019-10-13 16:11:00

1 引言

在自動控制領域，PLC 和單片機都受到廣泛應用。PLC 具有穩定可靠，抗幹擾能力強， 功能強大且使用方便等特點，單片機具有成本低廉，使用靈活，功能多樣等特點。PLC 與 單片機結合，互相聯繫，互相通訊，將擴展控制功能，更好的控制複雜的系統。

在研究混合動力電動汽車驅動系統時， 採用PLC 作為主控制器，控制電機變頻器和發 動機節氣門控制器，實現對電機和發動機功率的 綜合控制。因為PLC 和變頻器均是艾默生公司 的產品，均支持RS485 接口和MODBUS 協議， 所以控制系統統一採用RS485 接口和MODBUS 協議。而發動機節氣門控制器採用89C51 單片 機，所以要通過建立PLC 與單片機的通訊，實現控制。

圖1 通信系統結構框圖

2 硬體設計

通訊系統的結構框圖如圖1 所示。

2.1 信號轉換電路

單片機支持 TTL 電平，可以採用MAX485 晶片來實現RS485 與TTL 之間的信號轉換 （如圖2）。MAX485 晶片採用單一電源+5 V 工作，額定電流為300 μA，採用半雙工通訊方式，內部含有一個驅動器和接 收器。RO 和DI 端分別為接收 器的輸出和驅動器的輸入端， 分別與單片機的RXD 和TXD 相連；RE 和DE 端分別為接收 和發送的使能端，當RE 為邏 輯0 時，器件處於接收狀態； 當DE 為邏輯1 時，器件處於 發送狀態，因為MAX485 工作 在半雙工狀態，所以只需用單 片機的一個管腳控制這兩個 引腳即可；PLC 裡RS485 總線的A 端和B 端分別為接收和發送的差分信號端，當A 引腳的 電平高於B 時，代表發送的數據為1；當A 的電平低於B 端時，代表發送的數據為0。在A 和B 端之間加匹配電阻，一般可選100Ω 左右的電阻。

3 軟體設計

控制系統採用單主機/多從機的組網方式，PLC 為主機，電機變頻器和單片機為從機。 艾默生公司的PLC 和電機變頻器之間已經建立了採用RS485 總線，MODBUS 協議的通訊 ，為了實現PLC 與單片機的通訊，須先了解PLC 與電機變頻器的通訊特點，然後建立 連接通訊。

3.1 PLC 與電機變頻器的通訊特點

採用RTU 方式的Modbus 協議，幀格式如圖3 所示。 波特率為9600bps，數據格式為1-8-N-2，字符間間隔少於 1.5 個字符時間（1.72ms），RTU 幀的最大幀長度是256 個 字節。幀之間的空閒時間取命令碼設定和Modbus 內部約 定值中的較大值。Modbus 內部約定的最小幀間空閒如下： 幀頭和幀尾通過總線空閒時間不小於3.5 個字符時間 （4ms）來界定幀。幀之間的總線空閒不需要累加起始和 結束空閒。數據採用CRC16 校驗，整個信息參與校驗， 校驗和的高低字節需要交換後發送。

圖3 RTU 方式

RS485 是異步半雙工的通訊總線。主機處於主導和支 配地位，定時發出監控命令，等待從機的應答。從機處於 偵聽狀態，不能主動往總線發送數據，在接收到主機發送 的一幀信息後，首先判斷地址碼是否本機地址，如果此幀 信息的地址碼和本機地址相同，則繼續處理命令碼和數 據，如果此幀信息的地址碼和本機地址不同，則忽略。接收完一個主機監控命令後，先進行校驗，如果校驗正確則執行接收的監控命令，並根據命令回送相應的應答幀。任何時刻只能有一個從機處於發送狀態，但主機發送時所有從機都必須 處於接收狀態。

上位機PLC 的通訊流程圖如圖4 所示。

圖4 上位機PLC 的通訊流程圖

3.2 PLC 與單片機通訊的實現

表 1 PLC 與單片機通訊的幀字節數

單片機進行通信時工作在「方式一」的狀態下。 因為PLC 發出的數據幀第一個字符為地址數據，所 以單片機在接收數據時要區分接收到的數據是否是 幀的第一個字符。根據單片機每接收完一個字節數 據RI 就置1，而且幀間間隔4ms 以上，字符間隔少 於1.72ms， 可以通過計時的方式來判斷幀的第一個 字符。當RI 置1，開始計時，到下一次RI 置1，計 時結束，當時間間隔大於4ms，則後一次RI 置1 時 接收的字符是幀的第一個字符，當時間少於1.72ms， 則不是。

為了簡化程序，可以協議好PLC 與單片機通訊 的幀字節數為6 個字節，如表1。單片機根據地址字 符數據判斷是否是本機地址，如果是，則接收處理 後面的5 個字節數據，計算前四個字節的CRC 校驗 碼，並與接收到的兩個字節CRC 校驗，進行核對， 如果不相同，則不反饋數據給PLC，也不執行數據 包含的指令，如果相同，則反饋數據給PLC，執行 數據包含的指令。下位機單片機程序的流程圖如圖5 所示。

4 結束語

本文作者創新點：在艾默生 PLC 與其變頻器的 通訊基礎上加入了基於RS485 接口Modbus 協議的 PLC 與單片機的多機通訊，該通訊方案硬體接口簡 單，軟體和通信協議有很好的通用性，可以拓展為PLC 與多個變頻器和單片機的同時通訊， 也可應用於其他工程的多機通訊系統中。該通訊方案已經成功應用於混合動力電動汽車的驅 動電機及發動機節氣門的綜合控制。

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