可編程程序控制器（PLC）是綜合了計算機技術、自動化控制技術和通信技術的一種自動控制裝置，以其具有的功能強、可靠性高、操作靈活、編程簡便等特性，成為了現代工業(yè)控制的三大支柱之一[1]。

    隨著PLC的應用范圍的不斷擴展，其控制系統越來越復雜，需要處理儲存的數據量不斷增加。例如，有些PLC工業(yè)控制儀器需要保存一個月甚至一年的生產數據，需要幾兆字節(jié)甚至幾百兆字節(jié)的數據存儲能力。由于一般的PLC數據存儲容量較小，不得不借助外部的數據存儲設備。因此，本文設計了一種基于單片機的PLC數據存儲系統，可將PLC的數據以txt文件類型的形式存入到U盤、移動硬盤等大容量的數據儲存器里，擴大PLC數據容量，亦可方便桌面計算機對數據進行進一步處理分析。

1 系統總體設計

    系統由數據輸出終端為PLC、數據轉換模塊、數據接收終端（U盤、移動硬盤等）三部分組成。其中數據轉換模塊的中央控制器為Atmega16L單片機。此外，還包括由RS232和RS485組成的串口通信模塊、CH376文件管理控制芯片、USB接口輸出模塊以及DS1302授時模塊。PLC通過RS232或RS485接口將數據上傳給單片機，單片機發(fā)送識別信號給接USB口模塊，根據反饋信號判斷USB接口連接是否正常，若正常則根據DS1302授時模塊、利用CH376文件管理控制芯片在存儲設備中新建以時間信息為文件名主體的txt文件類型或其他類型的文件，再將數據存入其中。系統整體結構如圖1所示。

圖1  系統結構圖

2 硬件設計

2.1 Atmega16L與CH376的電路設計

    Atmega16L是基于增強的AVR RISC結構設計的低功耗8 位CMOS微控制器。其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間可以減小整個系統的功耗，且不會影響系統的處理速度[2]。

    CH376是文件管理控制芯片，可用于單片機系統讀寫U盤、SD卡中的文件，亦可用于與USB接口設備的數據傳輸與通信。CH376支持3種通信接口：8位并行、SPI接口和異步串口方式，單片機通過上述任何一種通信接口控制CH376芯片，將數據儲存在U盤、移動硬盤等存儲設備，甚至可以與計算機相連進行通信[3]。

面對工業(yè)控制中惡劣的工作環(huán)境，為了保證數據傳輸的穩(wěn)定性和精確性，單片機Atmega16L與CH376之間的通信接口選擇8位并行接口，連接電路如圖2所示。

圖2  Atmega16L與CH376的連接電路圖

2.2 串口通信模塊的電路設計

    通常PLC可以提供RS232和RS485兩種通信接口類型，但是Atmega16L單片機只提供一個串口接口。為了方便用戶接口選擇，設計了一種RS232和RS485兩個接口公用一個串口的接口電路，如圖3所示。

圖3  串口通信接口電路圖

當RS232或RS485懸空未使用時，兩二極管的負極均為高電平，所以當采用一組通信方式時不會影響到另一組。而RS485通信采用非門實現了RS485的自動接收與發(fā)送之間的切換[4]。Atmega16L的UART初始狀態(tài)為邏輯高電平，則：

   (1)接收狀態(tài)：TXD為高，MAX485使能端(DE/RE)為低，MAX485處于接收狀態(tài)，如無數據輸入，由于偏置電阻R2、R3的作用，RXD為邏輯高電平；如果有數據輸入，則RXD電平與輸入電平一致，實現了接收功能。

    (2)發(fā)送狀態(tài)：TXD為高，MAX485使能端為低，MAX485處于接收狀態(tài)，由于偏置電阻R2、R3的作用，輸出邏輯為高；TXD為低，MAX485使能端為高，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)，輸出邏輯為低[5]。這樣就實現了發(fā)送功能。RS485收發(fā)信號狀態(tài)如表1所示。

3 通信設計

3.1 PLC與單片機的通信

    為了滿足不同的PLC使用，本系統選用工業(yè)中使用廣泛的ModBus通信協議。ModBus協議系統中有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。本系統的數據格式為RTU模式，在同樣的波特率下，它可比ASCII方式傳送更多的數據[6]。ModBus信息以幀的方式傳輸，在RTU模式中，每幀開始和結束都至少需要傳輸4 B數據的靜止時間，所傳輸的報文數據域依次為從機地址、功能代碼、數據和校驗，傳輸的數據都是十六進制的[7]。RTU數據幀格式如圖4所示。

    ModBus通信協議采用的是主從方式，本系統中以PLC為主機，轉換模塊為從機。當從機接收到地址信息時立即對它進行解析判斷，如果地址相符合，則按指令要求修改其參數，并發(fā)送應答信息給主機；否則對接收的報文信息不予理睬。一個幀的信息必須以連續(xù)的數據流進行傳輸，如果在發(fā)送幀信息期間出現超過傳輸1.5 B數據的靜止時間時，接收到的數據將被清除[8]。主機與從機通信示意圖如圖5所示。

圖5  主機與從機通信示意圖

    為了實現單片機與PLC的精確通信，ATmega16L單片機的串口設置為以中斷響應的通信方式進行發(fā)送和接收數據，通信波特率設定為9 600 b/s，輸出/輸入的數據格式為1 bit開始位、8 bit數據位、1 bit停止位、1 bit校驗位，奇偶校驗方式設定為為偶校驗[9]。主機PLC則以歐姆龍PLC為例，將串口1設置為RS-232C模式，數據格式與單片機相同，串口設置如圖6所示。

圖6  OMRON PLC的串口設置圖

3.2 單片機與CH376芯片的通信

    上電延時50 ms，單片機發(fā)送 CMD_CHECK_EXIST(06H)命令，發(fā)送55H數據，正常工作返回0AAH；再發(fā)送 CMD_SET_USB_MODE(15H)命令，后續(xù)數據為06H，設置為USB模式，返回狀態(tài)為CMD_RET_SUCESS(51H)，設置成功；發(fā)送CMD_DISK_CONNECT(30H)命令，檢測U盤或移動硬盤是否連接，返回中斷狀為USB_INT_CONNECT(15H)，設備連接；發(fā)送 CMD_DISK_MOUNT(31H)命令，初始化U盤或移動硬盤，產生中斷返回USB_INT_SUCESS(14H)，初始化完成。初始化完成即可對連接的U盤或移動硬盤進行創(chuàng)建新的文件、打開已有文件、寫入數據等操作。操作完成后，發(fā)CMD_DISK_CONNECT(30H)命令，檢測設備是否依然連接，產生中斷。如果返回中斷狀態(tài)為USB_INT_DISCONNECT(16H)，則設備移除；如果返回中斷狀態(tài)為 USB_INT_CONNECT(15H)，則繼續(xù)等待[3]。其流程如圖7所示。

單片機與CH376之間使用8位并口，它的寫指令和數據的程序如下：

(1)往CH376命令端口寫入命令

void  WriteCH376Cmd( unsigned char mCmd )  

{

CH376_DATA_DAT_OUT( mCmd )；  //向CH376的并口輸出數據

CH376_DATA_DIR_OUT( )；  //設置并口方向為輸出

CH376_A0 = 1；

CH376_CS = 0；

CH376_WR = 0；    //輸出有效寫控制信號，

寫CH376芯片的命令端口

CH376_CS = 0；    //該操作無意義，僅作延時，

CH376要求讀寫脈沖寬度大

CH376_WR = 1；     //輸出無效的控制信號，

完成操作CH376芯片

CH376_CS = 1；

CH376_A0 = 0；

CH376_DATA_DIR_IN( )；     //禁止數據輸出

}

(2)往CH376數據端口寫入數據

void  WriteCH376Data(unsigned char mData )

{

CH376_DATA_DAT_OUT( mData )；

//向CH376的并口輸出數據

CH376_DATA_DIR_OUT( )；   //設置并口方向為輸出

CH376_A0 = 0；

CH376_CS = 0；

CH376_WR = 0；    //輸出有效寫控制信號，

寫CH376芯片的數據端口

CH376_WR = 1；    //輸出無效的控制信號，

完成操作CH376芯片

CH376_CS = 1；

CH376_DATA_DIR_IN(     )；  //禁止數據輸出

}

    本文介紹了一種基于單片機的PLC數據存儲系統的設計方案，重點描述了系統的總體方案、硬件電路的設計及各模塊的相互通信。該系統與PLC通信采用了工業(yè)中廣泛應用的ModBus通信協議標準，實現了通信標準化，以適應不同的應用場合。單片機與CH376的通信中采用了8位并行通信接口，增強系統整體的抗干擾能力，保證數據的傳輸穩(wěn)定性和準確性。系統提供了RS485和RS323兩種串口接口，滿足不同的接口需求；使用CH376文件管理芯片，在U盤等儲存設備里建立txt類型文件儲存數據，方便桌面計算機的查看。此外，還添加了DS1302實時授時系統，使得系統可以依據時間創(chuàng)建以時間信息為命名主體的文件并存入數據，方便后期對數據識別、查找與分析。實踐證明，該數據存儲系統功能穩(wěn)定，實用可靠，在PLC需要大數據存儲的工控領域有極大的應用價值。

參考文獻

[1] 霍罡.歐姆龍CP1H PLC應用基礎與編程實踐[M].北京：  機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 汪煉，韓震宇.基于AVR單片機的串口通訊設計[J].中國測試技術，2003(2)：52-53.

[3] Nanjing Qinheng Electronics Co..The data sheet of CH372[Z].  2008.

[4] 劉啟中，李榮正.PIC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5] 甘海峰，余奇志，吳興中.單片機與西門子變頻器的通信設計[J].四川兵工學報，2012，33(3)：65-68.

[6] MODICON Inc..Modicon ModBus protocol reference guide[Z]. 2008.

[7] 鄧元生.基于單片機的ModBus總線協議實現技術研究[D].長沙：中南大學，2009.

[8] 張榮華，王富東.單片機與U盤的接口技術[J]．電工技術， 2007(5)：45-51.

[9] 唐洪富，張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設計[J].電子技術應用，2013，39(5)：60-70.

(收稿日期：2014-04-17)  

作者簡介：

殷蘇民，男，1956年生，教授，碩士生導師，主要研究方向：微控技術、機電系統、機器視覺。