引言

　　該系統(tǒng)cpu芯片使用了一種新型的51系列單片機(jī)即cygnal公司的c8051f040。其指令集與msc_51指令集完全兼容，使用方便鹤盒，且采用流水線結(jié)構(gòu)百炬，其周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期褐隆，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25mips收壕。

1 簡(jiǎn)介

　　可編程控制器（plc）作為繼電控制盤(pán)的替代物妓灌，以極高的可靠性和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，成為當(dāng)今用途最為廣泛的工業(yè)控制器∶巯埽現(xiàn)在它的應(yīng)用已突破了當(dāng)初邏輯控制的場(chǎng)合虫埂，深入到過(guò)程控制、位置控制圃验、網(wǎng)絡(luò)通訊等工程領(lǐng)域掉伏。本文根據(jù)某工程的實(shí)際需要，以三菱plc為模擬目標(biāo)澳窑，提出了一種以單片機(jī)構(gòu)建plc系統(tǒng)的思想斧散。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

　　該系統(tǒng)cpu芯片使用了一種新型的51系列單片機(jī)即cygnal公司的c8051f040圾篱。其指令集與msc_51指令集完全兼容啸席，使用方便，且采用流水線結(jié)構(gòu)玫惧，其周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期币皂，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25mips庞蠕。內(nèi)部集成了64k flash rom筋擒、4352字ram、64位數(shù)據(jù)i/o口以及幾乎所有的模擬與數(shù)字外設(shè)如：adc则菌、dac破卜、smbus、uart踏靴、can廷前、spi、pca窜无、電壓比較器嗡身、溫度傳感器、可編程增益放大器等讲仰。開(kāi)發(fā)工具采用標(biāo)準(zhǔn)的jtag接口，以邊界掃描方式對(duì)cpu進(jìn)行非入侵式全速的在系統(tǒng)調(diào)試痪蝇。其性能較之傳統(tǒng)51單片機(jī)有了很大的提高鄙陡。

　　cpu和外部i/o接口之間采用光電耦合器件，實(shí)行強(qiáng)電和弱電隔離躏啰，切斷現(xiàn)場(chǎng)干擾趁矾。計(jì)算機(jī)通過(guò)rs232串口與plc系統(tǒng)通信耙册，將plc程序指令傳送到plc。plc將接收到的指令保存到非易失性ram中毫捣。這樣做即可以長(zhǎng)期保存plc程序详拙，又可以方便地隨時(shí)修改程序。

3 plc程序的執(zhí)行過(guò)程

　　常見(jiàn)plc以掃描方式工作蔓同。每次掃描的工作過(guò)程分為三步饶辙。

　　（1） 輸入處理

　　程序執(zhí)行前斑粱，plc將全部輸入點(diǎn)的狀態(tài)讀到輸入鏡像寄存器弃揽。在程序執(zhí)行過(guò)程中，plc不再讀取這些輸入點(diǎn)的狀態(tài)褂省，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理巷卵。

　　（2） 程序處理

　　plc根據(jù)讀入的外部輸入狀態(tài)和其它元件的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序葵稚。這時(shí)的輸出指令只寫(xiě)到輸出鏡像寄存器帘衣，輸出點(diǎn)的狀態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化。

　〗嘞（3） 輸出處理 全部指令執(zhí)行完畢税则，將輸出寄存器的內(nèi)容全部刷新到外部輸出點(diǎn)。程序回到第一步工作過(guò)程窃裙。

　　本plc系統(tǒng)的工作過(guò)程與此相同纹轩。輸入處理和輸出處理用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，無(wú)需贅述宦噩。系統(tǒng)的關(guān)鍵是用戶程序的處理缅科。下面以三菱fx系列plc一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明本plc系統(tǒng)對(duì)用戶程序的處理方法。梯形圖和相應(yīng)的指令表見(jiàn)圖2衰拄。

　　0:ld x000 9： ld x010

　　1:and x001 10:ld x011

　　2:and x002 11:and x012

　　3:ld x003 12:ld x013

　　4:or x004 13:and x014

　　5:anb 14:orb

　　6:out y000 15:or x015

　　7:or x006 16:anb

　　8:ld x010 17:out y001

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　　首先分析指令 and x001耗跛，指令執(zhí)行前有狀態(tài)b，執(zhí)行該指令時(shí)攒发，將當(dāng)前狀態(tài)b

　　和x001的狀態(tài)進(jìn)行與運(yùn)算调塌，形成狀態(tài)c，這是指令andx002執(zhí)行前狀態(tài)惠猿。c是b的刷新值羔砾，它們實(shí)際上是一個(gè)變量。這個(gè)變量反映程序執(zhí)行時(shí)當(dāng)前的狀態(tài)值偶妖。當(dāng)遇到輸出指令out y000時(shí)姜凄，就把當(dāng)前狀態(tài)值傳送給輸出寄存器。把a(bǔ)nd x001作為一單元塊，可認(rèn)為這個(gè)單元塊有單輸入單輸出的結(jié)構(gòu)态秧。輸入狀態(tài)和單元塊內(nèi)元件的狀態(tài)運(yùn)算后得到輸出狀態(tài)董虱。

　　再分析指令ld x003、or x004申鱼，如果將這兩條指令組合后看作上述單輸入單輸出結(jié)構(gòu)的單元塊愤诱，執(zhí)行前的狀態(tài)為d，把x003捐友、x004元件并聯(lián)后的狀態(tài)作為單元塊內(nèi)元件的狀態(tài)晋粱，和d與運(yùn)算后得到狀態(tài)g.。但細(xì)化一步執(zhí)行l(wèi)dx003這個(gè)子單元塊時(shí)跛脾，當(dāng)前狀態(tài)d需保存批贴，取x003的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值e，和x004或運(yùn)算后得到f癣跟。執(zhí)行anb時(shí)用噪，把先保存的狀態(tài)值d和狀態(tài)值f與運(yùn)算后得到新的當(dāng)前狀態(tài)值g。

　　這里執(zhí)行l(wèi)d與and產(chǎn)生區(qū)別是在于：and指令沒(méi)有分支景顷，而ld指令產(chǎn)生分支誓籽，程序執(zhí)行前的狀態(tài)值需要保存。同樣强男，在遇到分支合并時(shí)洪业，需要使用到先前保存的狀態(tài)值。根據(jù)梯形圖的編寫(xiě)規(guī)則眨仪，狀態(tài)值的保存和使用是一種先進(jìn)后出的結(jié)構(gòu)峭桅，所以可以使用進(jìn)棧和出棧的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。指令的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程歸納如下：凡是遇到產(chǎn)生分支的指令柑爸，例如ld指令吵护，需將當(dāng)前狀態(tài)值進(jìn)棧保存，取當(dāng)前操作元件的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值;凡是遇到分支合并的指令表鳍，例如orb馅而、anb指令，需將棧頂值出棧與當(dāng)前狀態(tài)值運(yùn)算成為新的當(dāng)前狀態(tài)值譬圣。

　　在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)瓮恭，采用了另一種形式的棧。由于三菱fx系列plc的ld連續(xù)使用不能超過(guò)八次厘熟，因此采用一個(gè)可以位尋址的片內(nèi)ram字節(jié)作為椡捅模空間來(lái)存放當(dāng)前狀態(tài)值。如果使用椛蹋空間的最高位作為當(dāng)前狀態(tài)值登澜，每次壓棧就把該字節(jié)進(jìn)行不帶進(jìn)位的循環(huán)右移笨农，出棧時(shí)反之。在ld x000指令執(zhí)行后帖渠，進(jìn)棧狀態(tài)a沒(méi)有出棧，ld x010指令又進(jìn)棧保存當(dāng)前狀態(tài)值资担，以前的壓棧值a廢之不用旬效，即每條與母線相連的ld指令產(chǎn)生壓棧值都不出棧。這樣避免了因使用pushpop指令用一個(gè)字節(jié)的空間來(lái)保存一位的當(dāng)前狀態(tài)值造成的ram利用效率低的問(wèn)題踱孕。

　　ld x010后的指令執(zhí)行過(guò)程如下：ld x010 把當(dāng)前狀態(tài)值h壓棧讯匈，取x010的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值i;ld x011把當(dāng)前狀態(tài)值i壓棧，取x011的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值j;and x012 把當(dāng)前狀態(tài)值j和x012的狀態(tài)與運(yùn)算后得到當(dāng)前狀態(tài)值k;ld x013把當(dāng)前狀態(tài)值k壓棧将窗，取x013的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值l;and x014把當(dāng)前狀態(tài)值l和x014的狀態(tài)與運(yùn)算后得到當(dāng)前狀態(tài)值m;orb 彈出壓棧值k和當(dāng)前狀態(tài)值m或運(yùn)算后得到新的當(dāng)前狀態(tài)值m;or x015把當(dāng)前狀態(tài)值m和x015的狀態(tài)或運(yùn)算后得到當(dāng)前狀態(tài)值n;anb彈出壓棧值i和當(dāng)前狀態(tài)值n與運(yùn)算后得到新的當(dāng)前狀態(tài)值o;outy002 把當(dāng)前狀態(tài)值寫(xiě)到y(tǒng)002的輸出鏡像寄存器策坏。

4 檢查程序

　　接收到程序后，在程序執(zhí)行之前泻畏，還需對(duì)程序的語(yǔ)法正確性進(jìn)行檢查烈肉。這里只介紹與程序狀態(tài)值棧相關(guān)指令的語(yǔ)法檢查。

　　首先］需要設(shè)置一個(gè)位標(biāo)志en_bus和一計(jì)數(shù)器ld_n委丈。enbus表示下一指令能夠與plc梯形圖中的母線相連甩高。計(jì)數(shù)器ld_n表示自與母線相連的指令之后由于ld指令引起的堆棧次數(shù)。檢查程序之前什偷，初始化如下：

　　en _bus=1

　　ld_n=1

　　檢查程序時(shí)霸督，如果遇到ld指令，程序流程如圖3（a）;如果為orb或anb指令衅疙，則ld_n=ld_n-1;如果為out等與零母線相連的輸出指令莲趣，程序流程如圖3（b）。

　　這些基本操作執(zhí)行后饱溢，如果檢測(cè)到ld _n大于8喧伞，說(shuō)明連續(xù)ld指令太多，程序狀態(tài)值椑砼螅空間溢出;如果ld_n等于0絮识，說(shuō)明anb或orb指令數(shù)多于與ld指令，數(shù)量不匹配嗽上。還有些指令例如程序標(biāo)號(hào)p次舌、循環(huán)范圍終止符next等必須與母線相連。如果這些指令出現(xiàn)在en_bus=0的情況下兽愤，說(shuō)明該程序有錯(cuò)彼念。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　這種以單片機(jī)構(gòu)建的plc系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)可擴(kuò)展性好浅萧，可以方便得加上a/d逐沙、d/a等功能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

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