如何在單片機(jī)上實現(xiàn)PLC邏輯

有朋友想定制一個凈水機(jī)控制器，有一些獨特的功能要增加，但是商品控制板沒有這樣的功能，問我能否做一個，我覺得單片機(jī)完全能滿足這種簡單的控制需要，上手開始編程序時候突然感到，用PLC邏輯編這種功能是非常簡單輕松的，而如果用匯編或C編卻感覺有點棘手，編程效率不高，所以想為何不在單片機(jī)上實現(xiàn)PLC的邏輯呢？

上網(wǎng)搜索嘗試看能否找到合適的程序下載來稍微改改就能用的呢？方案幾年前就有了，實際上是利用三菱的低檔PLC編程軟件編輯好梯形圖，存盤后用專用的格式轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成HEX單片機(jī)燒寫文件燒進(jìn)去，嘗試下載三菱PLC工具軟件，但是在我的WIN7-64位系統(tǒng)上不能正常工作，好容易換了系統(tǒng)裝好開發(fā)工具，但是初次上手這款開發(fā)工具，界面挺復(fù)雜的，懶得研究各個按鈕的使用，由于是單片機(jī)的硬件，對于程序的編制和轉(zhuǎn)換有很多限制條件，否則是轉(zhuǎn)換不成功的，嫌麻煩，放棄！

某寶倒是有百元PLC板出售，但是為了這么個簡單的東西專門買個全功能板子有點浪費，而且其編程軟件仍然是三菱的盜版軟件，算了，再想辦法把。

由于工作中經(jīng)常接觸PLC程序，對其工作原理也略知一二，網(wǎng)上也有相關(guān)的說明介紹，其實就是三個主要步驟，第一步掃描IO輸入，第二步執(zhí)行邏輯，第三步輸出邏輯到IO，很簡單的，最早PLC也是用單片機(jī)實現(xiàn)的，我為何不用匯編在51上搭建一個架構(gòu)，簡單的邏輯編制進(jìn)去就能運轉(zhuǎn)呢？

其中邏輯執(zhí)行步驟還是有點意思的，需要把PLC邏輯翻譯成單片機(jī)的匯編語言執(zhí)行，這塊開始也沒有把握，后來搜索到一篇百度文章，介紹了一下三菱PLC邏輯是如何翻譯成匯編的，我看了下估計其實是利用反匯編工具把HEX反編譯成的ASM代碼，并不清晰明了，而且還帶著反匯編時候的行號，僅供參考了。

搜索結(jié)果中也有幾篇論文，涉及到在51單片機(jī)上實現(xiàn)PLC邏輯的內(nèi)容，但是那些論文都是充數(shù)的，僅僅幾個IO邏輯，沒有什么定時器，計數(shù)器功能的體現(xiàn)，哎！僅供參考！

看來這個PLC系統(tǒng)還是需要自己寫了！OK！既然決定自己重寫，那就開工吧！利用春節(jié)休假時間，編制了如下ASM51匯編PLC代碼：

代碼主要架構(gòu)如下：

1、IO定義部分:根據(jù)所使用的單片機(jī)IO口數(shù)量，任意指定多少個I多少個O，那幾個腳是I，哪幾個是O都可以任意指定，在這個51系統(tǒng)里面設(shè)計了最大32個I，32個O，占用64個位尋址區(qū)域，其實用不到那么多，也可以分配給其它需要的標(biāo)志位用，因為51系統(tǒng)總可位尋址地址只有128位，需要仔細(xì)分配.

2、位尋址變量定義（包括各類標(biāo)志位，臨時變量寄存器等等）目前設(shè)計了8個計時器的Timer DN， Timer EN，共16位，8個計數(shù)器的counter reset 和counter DN 標(biāo)志位共16個，專用于上升沿下降沿檢測的標(biāo)志位4對，占用8個，剩余用于臨時變量，這些地址分配在這塊變量定義區(qū)域可以根據(jù)需要任意調(diào)整

3、內(nèi)存規(guī)劃，包括堆棧區(qū)的設(shè)置，定時器，計數(shù)器的累加值和預(yù)設(shè)值地址等等，目前初步定義8個計數(shù)器的當(dāng)前計數(shù)值和預(yù)設(shè)值，8個計時器的當(dāng)前計數(shù)值和預(yù)設(shè)值，共占用32個內(nèi)存地址，也可根據(jù)需要調(diào)整，51單片機(jī)片內(nèi)總的用戶可用內(nèi)存地址包括堆棧區(qū)只有128個，實際去除位尋址區(qū)和堆棧區(qū)可用的估計只有80個左右，不過對于小程序應(yīng)該夠用的。沒必要去增加成本擴(kuò)展RAM

4、上電初始化，包括0.01秒微定時器設(shè)置，內(nèi)存清零，中斷設(shè)置，如果想增加串口功能也是可以的，51本來就有兩個定時器，無非多寫一個串口中斷服務(wù)程序就是了。

5、微定時器中斷服務(wù)程序編寫，單片機(jī)每0.01秒定時中斷時執(zhí)行，進(jìn)行內(nèi)存時基標(biāo)志位刷新，用于提醒主程序相應(yīng)時間到了，基本的時基設(shè)計了0.01秒，0.1秒，1秒，10秒，1分鐘，1小時，1天，1周八個時間標(biāo)志位，其實真沒必要，不過自己編寫架構(gòu)就是好玩，想設(shè)計幾個就設(shè)計幾個哈哈!

6、下面是主要PLC邏輯，執(zhí)行時是不停掃描循環(huán)執(zhí)行的，與真實的PLC運行結(jié)構(gòu)是一樣的，當(dāng)然咱們編的就要簡單許多了，沒有那么多的功能。而且用匯編編寫執(zhí)行效率要比C高，目前1K代碼的匯編程序可以寫好多，而如果用C寫再編譯就會大許多，很多時候廉價小單片機(jī)就裝不下了。

7、掃描開始是對定時器計數(shù)器處理，如果某計時器的相應(yīng)時基標(biāo)志位置位，則處理對應(yīng)程序用定時器的狀態(tài)判斷與設(shè)置，計數(shù)器內(nèi)存累加，狀態(tài)判斷與設(shè)置，用于主邏輯執(zhí)行部分執(zhí)行；對于計數(shù)器主要是判斷是否有計數(shù)器復(fù)位請求以及進(jìn)行當(dāng)前計數(shù)值與預(yù)設(shè)值是否相等判斷，置位相應(yīng)標(biāo)志位.

8、輸入掃描，這塊很簡單，就是把輸入IO口復(fù)制到內(nèi)存相應(yīng)區(qū)域內(nèi)；

9、正式邏輯執(zhí)行：這塊直接就是按照梯形圖行的概念，每一個梯形圖行，就是一段匯編代碼，為了翻譯時候方便，直接把邏輯就在注釋行內(nèi)形象的用符號畫出來。

邏輯的翻譯還是有點技巧，實現(xiàn)了基本IO輸入，與或非邏輯，定時器以及計數(shù)器功能，外加上升沿下降沿判斷等功能，這些基本的PLC功能都能在這個小架構(gòu)里面實現(xiàn)，盡管不是十分完美例如定時器狀態(tài)更新的時效性由于架構(gòu)問題還不能達(dá)到每次掃描更新，對于上升下降沿的判斷需要更多的內(nèi)存和語句實現(xiàn)等等，但是對于簡單的應(yīng)用還是沒有問題的.

10、邏輯輸出，這塊也很簡單，就是把對應(yīng)的邏輯運算結(jié)果輸出到單片機(jī)的IO口即可.

11、后期操作部分，也就是每次掃描運算結(jié)束后還有余力進(jìn)行其它需要功能的輸出，這塊在真正PLC里面也是很重要的，應(yīng)該會進(jìn)行邏輯效驗，遠(yuǎn)程通訊等功能，咱這個就都簡化掉了，僅僅為了測試掃描時間對一個內(nèi)存變量進(jìn)行增一操作而已，可以調(diào)用看看掃描周期時間是否超過了最小定時器時間等等輔助功能. 實測12M時鐘0.01秒執(zhí)行了這個小邏輯多達(dá)70多遍!

架構(gòu)有了，具體邏輯要怎么寫，最好還是在PLC模擬器上先試著編寫一下，功能沒問題了再抄到我們的單片機(jī)里面來，進(jìn)行逐句翻譯，因為單片機(jī)匯編語言的調(diào)試還是很麻煩的，畢竟不直觀，還是在PLC模擬器里面做好了再搬進(jìn)來比較好。

Keil里面編譯成HEX文件后可以直接刷寫進(jìn)單片機(jī)使用了，真正用之前最好還是要根據(jù)單片機(jī)的晶振時鐘，再調(diào)整一下微定時器的定時參數(shù)，盡量符合0.01秒的要求，不要偏差太大，還有一種方法是利用proteus軟件仿真硬件運行也是不錯的。

通過反復(fù)修改匯編程序，通過仿真測試到目前為止我們只是完成了PLC芯片邏輯的軟件編寫，下面就可以燒寫進(jìn)51內(nèi)核的單片機(jī)內(nèi)實際運行了，這里我使用的是STC的國產(chǎn)單片機(jī)，15W408系列，DIP20替換AT89C2051還能多增加幾個IO腳，僅僅幾元，價格便宜，1T內(nèi)核，性能強(qiáng)勁(之前寫的0.01秒掃描70多次是在仿真環(huán)境下，12T的89C2051達(dá)到的性能，如果使用STC的1T系列要注意實際運行速度會增加12倍，達(dá)到0.01秒掃700多次，有時候太快了也會引起煩惱呵呵)，IO可以設(shè)定為強(qiáng)推挽，驅(qū)動力強(qiáng)，串口直接下載程序，編程方便，對于非專業(yè)應(yīng)用，給DIYer做點小東西還是很合適的.使用STC專用下載線(僅僅十幾塊，比別的芯片下載編程器可便宜多了，甚至使用5元的USB轉(zhuǎn)TTL串口線也能用，只是需要手動斷電一次而已，專用的下載線增加了自動斷電功能，使下載更方便些)下載進(jìn)芯片，得到一只帶程序的芯片.

利用面包板搭建測試電路實際驗證邏輯功能，如果邏輯不滿意或者定時時間不合適還可以回去修改程序，重新編譯下裝，直到滿意為止，為了能夠應(yīng)用到實際環(huán)境中，還需要為它配上電源電路，輸入按鍵開關(guān)，輸出驅(qū)動三極管或繼電器等硬件才能和實際的應(yīng)用環(huán)境配合使用，發(fā)揮預(yù)想的作用。

實際應(yīng)用中對于抗干擾還是需要花費一些心思的，干擾來自一下幾個方面:

1、電磁閥動作時候產(chǎn)生的電磁脈沖和反電動勢，這個可以使用二極管做續(xù)流，來消除電磁閥斷電反電動勢脈沖，通過增加光耦進(jìn)行輸出隔離，也可以提高抗干擾性能;

2、對于開關(guān)輸入通道要考慮單片機(jī)輸入電阻是比較高的，長線容易引入外部干擾，這個問題可以通過在輸入引腳外加1K上拉電阻的方法來降低輸入阻抗，達(dá)到抗干擾的目的;

3、電源也是干擾源，因為大功率電機(jī)和電磁閥的動作都會造成24V電源的瞬間劇烈波動，盡管單片機(jī)的電源消耗不大但是很容易因干擾而復(fù)位或者造成輸入輸出不正常等現(xiàn)象，因此電源濾波也很重要，通過示波器可以觀察到當(dāng)電機(jī)或電磁閥動作時，單片機(jī)5V電源的波動情況，通過采取增加π型LC濾波，可以極大降低電源引起的干擾.

4 、電磁輻射也要考慮，單片機(jī)控制板本體最好增加金屬外殼并接地，抵抗電機(jī)電磁閥或廚房用電設(shè)備的外部干擾，這就是為什么我喜歡收集金屬糖果糕點盒的原因，呵呵!

對于DIYer來講，有時候想法挺好，試驗也成功，但是實際裝機(jī)后卻失敗了，這些可能不是我們做的不好，實際是沒有考慮到復(fù)雜的工作環(huán)境，真正的產(chǎn)品為什么比我們DIY的成本高，其主要方面就是考慮的實際工作現(xiàn)場的復(fù)雜性，真正的核心控制可能很簡單，但是周邊的各種保護(hù)很復(fù)雜，甚至接錯線了也要考慮到，成本和可靠性就成正比了。