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坯汤。其指令集與msc_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水線結(jié)構(gòu)醒横，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，處理能力大大提高忽件，峰值性能可達(dá)25mips禁舌。

1 簡(jiǎn)介

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

2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1慷吊。

　　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袖裕。其指令集與msc_51指令集完全兼容，使用方便溉瓶，且采用流水線結(jié)構(gòu)急鳄，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，處理能力大大提高堰酿，峰值性能可達(dá)25mips疾宏。內(nèi)部集成了64k flash rom、4352字ram触创、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坎藐、dac、smbus哼绑、uart岩馍、can、spi抖韩、pca浇沧、電壓比較器、溫度傳感氣豹炊、可編程增益放大器等坏扣。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)試遂报。其性能較之傳統(tǒng)51單片機(jī)有了很大的提高伶摩。

　　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，切斷現(xiàn)場(chǎng)干擾昂幕。計(jì)算機(jī)通過(guò)rs232串口與plc系統(tǒng)通信，將plc程序指令傳送到plc框嫁。plc將接收到的指令保存到非易失性ram中庶化。這樣做即可以長(zhǎng)期保存plc程序，又可以方便地隨時(shí)修改程序形炬。

3 plc程序的執(zhí)行過(guò)程

　　常見(jiàn)plc以掃描方式工作迹姆。每次掃描的工作過(guò)程分為三步。

　】髁摺（1） 輸入處理

　　程序執(zhí)行前岭埠，plc將全部輸入點(diǎn)的狀態(tài)讀到輸入鏡像寄存器。在程序執(zhí)行過(guò)程中蔚鸥，plc不再讀取這些輸入點(diǎn)的狀態(tài)惜论，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理。

　≈古纭（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)行用戶程序馆类。這時(shí)的輸出指令只寫(xiě)到輸出鏡像寄存器，輸出點(diǎn)的狀態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化弹谁。

　∏伞（3） 輸出處理 全部指令執(zhí)行完畢，將輸出寄存器的內(nèi)容全部刷新到外部輸出點(diǎn)预愤。程序回到第一步工作過(guò)程沟于。

　　本plc系統(tǒng)的工作過(guò)程與此相同。輸入處理和輸出處理用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易植康，無(wú)需贅述旷太。系統(tǒng)的關(guān)鍵是用戶程序的處理。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向图。梯形圖和相應(yīng)的指令表見(jiàn)圖2谈毫。

　　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

　　首先分析指令 and x001，指令執(zhí)行前有狀態(tài)b碉讯，執(zhí)行該指令時(shí)鹤鲤，將當(dāng)前狀態(tài)b和x001的狀態(tài)進(jìn)行與運(yùn)算，形成狀態(tài)c订淑，這是指令andx002執(zhí)行前狀態(tài)枷辫。c是b的刷新值，它們實(shí)際上是一個(gè)變量搁排。這個(gè)變量反映程序執(zhí)行時(shí)當(dāng)前的狀態(tài)值笔房。當(dāng)遇到輸出指令out y000時(shí)，就把當(dāng)前狀態(tài)值傳送給輸出寄存器。把a(bǔ)nd x001作為一單元塊学虑，可認(rèn)為這個(gè)單元塊有單輸入單輸出的結(jié)構(gòu)段辈。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)。

　　再分析指令ld x003欲炉、or x004憾宅，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，執(zhí)行前的狀態(tài)為d愧捕，把x003奢驯、x004元件并聯(lián)后的狀態(tài)作為單元塊內(nèi)元件的狀態(tài)，和d與運(yùn)算后得到狀態(tài)g.次绘。但細(xì)化一步執(zhí)行l(wèi)dx003這個(gè)子單元塊時(shí)瘪阁，當(dāng)前狀態(tài)d需保存，取x003的狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)值e邮偎，和x004或運(yùn)算后得到f管跺。執(zhí)行anb時(shí)，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钢猛。

　　這里執(zhí)行l(wèi)d與and產(chǎn)生區(qū)別是在于：and指令沒(méi)有分支伙菜，而ld指令產(chǎn)生分支，程序執(zhí)行前的狀態(tài)值需要保存命迈。同樣贩绕，在遇到分支合并時(shí)，需要使用到先前保存的狀態(tài)值壶愤。根據(jù)梯形圖的編寫(xiě)規(guī)則淑倾，狀態(tài)值的保存和使用是一種先進(jìn)后出的結(jié)構(gòu)，所以可以使用進(jìn)棧和出棧的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)涮饱。指令的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程歸納如下：凡是遇到產(chǎn)生分支的指令绸廉，例如ld指令，需將當(dāng)前狀態(tài)值進(jìn)棧保存常择，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姨痊，例如orb、anb指令笆赤，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)值购狈。

　　在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用了另一種形式的棧粮唯。由于三菱fx系列plc的ld連續(xù)使用不能超過(guò)八次杂猾，因此采用一個(gè)可以位尋址的片內(nèi)ram字節(jié)作為棧空間來(lái)存放當(dāng)前狀態(tài)值浇找。如果使用椙┳樱空間的最高位作為當(dāng)前狀態(tài)值就壳，每次壓棧就把該字節(jié)進(jìn)行不帶進(jìn)位的循環(huán)右移，出棧時(shí)反之缺西。在ld x000指令執(zhí)行后涤伐，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)值缨称，以前的壓棧值a廢之不用废亭，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)題具钥。

　　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，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壓棧液兽，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壓棧骂删，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。

4 檢查程序

　　接收到程序后四啰，在程序執(zhí)行之前宁玫，還需對(duì)程序的語(yǔ)法正確性進(jìn)行檢查。這里只介紹與程序狀態(tài)值棧相關(guān)指令的語(yǔ)法檢查柑晒。

　　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欧瘪。enbus表示下一指令能夠與plc梯形圖中的母線相連。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)匙赞。檢查程序之前佛掖，初始化如下：

　　en _bus=1

　　ld_n=1

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

　　這些基本操作執(zhí)行后抄娜，如果檢測(cè)到ld _n大于8，說(shuō)明連續(xù)ld指令太多毙纫，程序狀態(tài)值椛俺梗空間溢出;如果ld_n等于0，說(shuō)明anb或orb指令數(shù)多于與ld指令港排，數(shù)量不匹配搪狗。還有些指令例如程序標(biāo)號(hào)p、循環(huán)范圍終止符next等必須與母線相連摇龟。如果這些指令出現(xiàn)在en_bus=0的情況下两胃，說(shuō)明該程序有錯(cuò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

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