摘要：随着自动化技术的不断发展，作为工业控制的核心设备PLC这几年得到了快速发展和广泛运用。PLC的接口也各种各样，而多数PLC都具有RS232接口，一般连接一些触摸屏,作为人机接口。本文主要介绍一款基于新华龙单片机开发的RS232接口装置，可以连接PLC作为人机界面，该装置还配有红外接收功能，可实现一定距离无线遥控PLC。
关键词：新华龙单片机，人机接口，红外遥控
Abstract : With the development of automation technology……
Keywords: NewDragon microprocessor, Human machine interface, infrared remote control

1． 引言
       HMI、SCADA作为PLC的主要人机接口设备，具有外观简洁，可靠性高，功能强大，用户界面友好，程序二次开发简单等优点，并向着网络化、智能化方向不断发展。而在一些特殊情况下，比如数据安全要求高，控制空间小的场合，就较难实现。基于单片机开发的PLC串口装置，凭借单片机优良的数据处理能力和低廉的价格有着一定的应用范围。 本文通过运用新华龙的C8051F33X系列的单片机开发了一款可编程RS232接口控制面板，本文主要介绍其电路设计和基本控制原理。

2． 控制面板的控制方案
控制面板的外型如图2-1所示，具体功能键可参阅注释
图2-1

*注：
RS232C口－－-串口通讯口；
JTAG口－－-程序下载口；
红外接收头－－-可接受红外信号源；
电源灯－－-接上电源后点亮；
通讯灯－－-通讯正常情况下闪烁；
蜂鸣器－－-每次按下按钮后发出“嘀“声，并在有故障发生时连续报警；
复位按钮－－-可复位单片机；
故障清除键－－-清除故障代码；
模式选择键－－-可切换自动，手动，检修模式；
正，反转键－－-在手动和检修模式时，可点动控制对应控制号的电机正反转；
0-9－－-输入最多两位数的控制号；
确定键－－-确定并发送信号键；
删除键－－-删除所显示的控制号；
控制号LED显示灯－－-显示两位控制号；
故障代码LED显示灯－－-显示两位故障代码；
自动、手动和检修灯－－-显示当前控制模式；
预留灯－－-预留；
2.1 面板控制原理
该面板可以运用于皮带运输系统、自动车库系统、存储系统等作为操作面板。用户可以根据需要切换各种模式。在自动模式时，可通过按钮选择控制号（控制号可以理解为控制电机号），并按确定键将信号发送给PLC; 在手动和检修模式时，选择控制号并按下确定键后，可通过正反转按钮点动控制相应控制号的电机正反转。PLC定时发送信号给控制面板，为用户提供各种信息，当有故障发生时，故障蜂鸣器报警并显示故障代码，待故障排除后，通过清除故障键清除故障代码。
在自动模式下，可通过红外发生器（本次设计没有自行研发红外发生器，而是采用标准的电视遥控器作为红外发生器。）发射红外信号来选择控制号，控制面板上的控制号LED灯会跟随变化，按确定键（可自定义遥控器上的一个键为确定键）发送给PLC控制器。
2.2 通讯信号说明
本次设计中的通讯信号涉及两种信号：单片机与PLC的通讯信号和红外发射器（这里为电视遥控器）与单片机的通讯信号
单片机与PLC的通讯信号是双向的，分发送和接受信号。发送信号有两个字节。前8位包含控制模式、正反转和清除故障信号的信息，后8位包含控制号的信息；接受信号也是两个字节，前8位包含控制模式及控制号反馈信息，后8位包含故障代码信息。
红外发射器与单片机的信号为单向信号，只有发送信号。标准的红外线发送信号为32位二进制码，即两个字。第一个字为用户识别码（能区别不同设备，防止不同机种遥控码互相干扰），第二个字为用户信息码。并且每一个字的第一个字节和第二个字节互为反码。在按下电视遥控器按键后，其发射头会连续周期性地发出32位二进制码的信号。
2.3 PCB面板电路图
图2-2

图2-2是控制面板的电路原理图，本次设计采用的芯片为新华龙的C8051330D单片机,并采用周立功单片机发展有限公司的ZLG7289B数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。

图2-3
单片机的时钟脉冲由外部晶震提供，为12MHz,如图2-3。单片机的UART0（I/O口P0.4和P0.5）连接串口RS232。10针接口为JTAG程序下载口，并配有硬件复位电路。蜂鸣器由I/O口P0.1控制。 I/O口P0.0（SPI总线片选）P0.1（SPI数据信息）P0.6（SPI总线时钟信号）,P0.7（键盘输入中断信号）与数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7289B实现通讯，如图2-4。ZLG7289B的工作原理可参考相关资料。

图2-4
红外线接收头如图2-5所示，两个接头为电源5V直流电压街头，另一个接头为信号接头与I/O口P0.7连接。单片机通过PCA计数/计时器捕捉电平信号。

图2-5 图2-6
2.4 PCB面板实物图
图2-6为PCB控制面板实物，大小为100x180mm.该装置仍处于研发阶段，故没有封装。在其正常工作时，需配有+15V直流电压，面板需被固定起来，切误拿在手上防止其电路短路。
3．控制程序软件设计
新华龙C8051F33X系列的单片机可通过JTAG口连接PC打印机口直接下载程序。U-EC5仿真器可接入JTAG口提供在线模拟仿真。美国Keil Software研发的KEIL uvision3是最新的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，具有友好的操作界面，并且程序有良好的可读性，被广大电子工程师所使用。本次程序设计采用其集成开发环境。
不同的控制工艺有着不同的控制逻辑，在这里我们着重讨论通讯部分的程序编写，对其他功能逻辑不做过多讲解。
3.1 串口数据处理程序
C8051330D单片机芯片的UART0是一个异步、全双工串口，UART0具有增强的波特率发生器电路，有多个时钟源可用于产生标准波特率,本次设计我们采用的波特率为9600。
UART提供两种方式的标准8051串行口，8位串行口和9位串行口。我们采用的是前者。在 8 位 UART 方式中，每个数据字节共使用 10 位：一个起始位、8 个数据位（LSB 在先） 和一个停止位。数据从 TX0 引脚发送，在 RX0 引脚接收。在接收时，8 个数据位存入 SBUF0， 停止位进入 RB80（SCON0.2）。当软件向SBUF0寄存器写入一个字节时开始数据发送。在发送结束时（停止位开始）发送中断标志TI0（SCON0.1）被置‘1’。在接收允许位REN0（SCON0.4）被置‘1’后，数据接收可以在任何时刻开始。收到停止位后，如果满足下述条件则数据字节将被装入到接收寄存器SBUF0：RI0必须为逻辑‘0’；如果MCE0为逻辑‘1’，则停止位必须为‘1’。在发生接收数据溢出的情况下，先接收到的8位数据被锁存到SBUF0，而后面的溢出数据被丢弃。 如果这些条件满足，则8位数据被存入SBUF0，停止位被存入RB80，RI0标志被置位。如果这些条件不满足，则不装入SBUF0和RB80，RI0标志也不会被置‘1’。如果中断被允许，在TI0或RI0置位时将产生一个中断。 具体的程序如下：
*************串口数据处理中断程序************************************
void UART_ISR(void) interrupt 4
{
if(TI0) //当一个字节发送成功后，TI0被置位
{
TI0=0; //复位TI0
if(sendtime==first) //发送数据一共有两个字节，如果发送了第一个字节，需再发送第二个字节
{
sendtime=second;
SBUF0=senddata[1]; //将待传送的数据放入串行数据缓冲器SBUF0
}
}
if(RI0) //有数据传送过来时，RI0置位
{
RI0=0; //复位RI0.
DATA=SBUF0; //从串行数据缓冲器SBUF0读取数据
if((DATA&0x80)==0x80) //传送一共有两个字节，判断当前传送的数据是不是第一个字节
{
readdata[0]=DATA;
receivetime=second; //为接受第二个字节做准备
}
if(receivetime==second) //接收第二个字节
{
if((DATA&0x80)==0x80) //判断当前传送的数据是不是第二个字节
{
readdata[1]=DATA;
receivetime=first; //为下次接收第一个字节做准备
display_errornumber(); //显示故障代码
}
}
}
}
3.2 红外线信号处理程序
标准的遥控编码采用脉宽调制的串行码，本次设计使用的红外发生器是一个万能电视遥控器，通过示波器测试，得到如下的特征属性，如图3-1,以脉宽为0.56ms，间隔为1.125ms的脉宽信号为0；以脉宽为0.56ms,间隔为2.25ms的为1。一个完整的信号为32位二进制码，当按下按钮后，连续周期性发出同一种32位二进制码。

 图3-1
通过红外接收头单片机接收信号， 当I/O口P0.7捕捉第一个电平信号时，PCA计时器捕捉该电平的脉宽，并触发CCF0传入中断程序，根据脉宽长度来判断输入的位是0或者1，并清除中断标志CCF0准备接收下一个位。直到接收完32位编码后，再根据接收到的数据判断控制号并通过LED 灯显示出来，如果接收的信号是确定信号，则将控制号传送给PLC.具体程序如下：
*************红外线信号中断程序************************************
void PCA_ISR (void) interrupt 11
{
unsigned cha r red_headh,red_headl,redh,redl,i;
if(CCF0)
{
CCF0 = 0; //清除中断标志位
PCA0L=0;
PCA0H=0;

red_time=(unsigned int)PCA0CPH0*256+PCA0CPL0; //读取捕捉到低电平的脉宽长度

if(red_time>15000) //32位编码信号接收完成后
{
redl=(unsigned cha r)redVALUE&0xff; //读取第一个字节
redh=(unsigned cha r)(redVALUE>>8)&0xff; //读取第二个字节
red_headl=(unsigned cha r)(redVALUE>>16)&0xff; //读取第三个字节
red_headh=(unsigned cha r)(redVALUE>>24)&0xff; //读取第四个字节
if(choose==auto&&redh==~redl&&red_headl==~red_headh&&red_headh==0x02)
//如果在自动模式下，并且信号正确识别，则开始判断接收信号
{ switch (redh)
{
case 0:
disp_value[i]=0; //如果按下数字按钮0的话，则接收为0
disp_flag=1; //LED显示标志位置位
break;
case 0x80:
disp_value[i]=1; //如果按下数字按钮1的话，则接收为1
disp_flag=1;
break;
case 0x40:
disp_value[i]=2; //如果按下数字按钮2的话，则接收为2
disp_flag=1;
break;
case 0xc0:
disp_value[i]=3; //如果按下数字按钮3的话，则接收为3
disp_flag=1;
break;
case 0x20:
disp_value[i]=4; //如果按下数字按钮4的话，则接收为4
disp_flag=1;
break;
case 0xa0:
disp_value[i]=5; //如果按下数字按钮5的话，则接收为5
disp_flag=1;
break;
case 0x60:
disp_value[i]=6; //如果按下数字按钮6的话，则接收为6
disp_flag=1;
break;
case 0xe0:
disp_value[i]=7; //如果按下数字按钮7的话，则接收为7
disp_flag=1;
break;
case 0x10:
disp_value[i]=8; //如果按下数字按钮8的话，则接收为8
disp_flag=1;
break;
case 0x90:
disp_value[i]=9; //如果按下数字按钮9的话，则接收为9
disp_flag=1;
break;
case 0x3A: //如果按下确定键的话，则将接收的数据传送到PLC
control_num=(unsigned cha r)(disp_value[0]*10+disp_value[1]);
Ti=0; //清除发送中断标志位。为发送数据做准备
sendtime=first；//为发送数据做准备
SBUF0=control_num; //发送数据
break;
}
i++; //循环改变个位，十位的数值
if(i>1) i=0;
}
redVALUE=0; //清除变量
redh=0;
redl=0;
red_headl=0；
red_headh=0;
}
elseif(red_time>2000) //如果脉宽大于2ms，则表示读到一个1,并左移一位
{
redVALUE=(redVALUE<<1)+1;
}
else if(red_time>1000) //如果脉宽在1ms~2ms之间，则读到一位0，并左移一位
{
redVALUE=(redVALUE<<1)+0;
}
}
if(CF) //如果有溢出，清除溢出标志
{
CF = 0;
}
}

3.3 主程序
主程序的控制逻辑是，先初始化设置，包括晶震源及所有端口属性，使能所有中断源。当有键按下的话，转入按键中断处理程序，显示和发送数据给PLC，当有接受到红外信号时，转入红外接收中断处理程序，显示和发送数据给PLC，PLC定时发送数据给单片机以显示故障及其他信息，当有信号从PLC发出时，转入串口通讯中断处理程序接受数据。程序如下：
void main (void)
{

Init_Device(); //端口初始化
var_init(); //数值初始化
zlg7289_init(); //LED显示初始化
IE|= 0x80; //使能中断源
PCA0CN|= 0x40; //使能PCA中断
SCON0|= 0x10; //设置UART0边沿出发


while(1)

{
if(disp_flag==1)
{
display_controlnumber(); //刷新控制号显示
}
if(key_pressed != 0) //有键按下时
key_process(key_value); //转入按键处理程序

}
}
*住：key_process()：这个函数的功能是显示数据，并将数据处理后传送给PLC
限于篇幅，这里省去了端口初始化程序，ZLg7289初始化程序，其他中断程序，键盘输入程序，LED显示程序，通讯灯的功能程序，点动控制功能程序等等。本节主要是为了向读者阐述如何实现PCB控制面板的通讯功能，其他程序可参阅相关资料。

4．PLC调试程序

 
图4-1
为了检测PCB控制面板的功能，需要编写PLC上位机程序调试。这里我们选用了omron的C200H PLC。不同的PLC的RS232串口接线是不一样，如图4-1提供了C200系列PLC与该控制面板的串口接线图。
设置PLC的串口属性为：8位数据，一个起始位，一个停止位，无奇偶校验位；波特率为9600。
图4-2是PLC的通讯部分程序。当定时器T000定时时间到，如果发送准备位为真时，将DM50、DM51的2个字节的数据发送；当接收准备位为真时，接受2个字节的数据至DM00、DM01。篇幅有限，这里不对信号的具体处理程序作说明。
*注：发送准备位和接受准备位是系统变量，如有需要可查阅相关资料

图4-2

5．结束语
        串口及红外控制面板基本实现了与PLC的通讯功能，而且具有操作简单，运用灵活等功能。在一些显示要求高的场合，比如动画显示，我们可以将LED换成LCD液晶模块。红外接收功能提出了一个很好的控制思路，运用红外技术实现人机通讯。但是在调试过程中我们也发现了红外控制存在着控制距离有限，受干扰大，信号安全低，传送数据量小等弱点。我们可以试着改进接收方式，采用无线接受装置，或者蓝牙接受装置，甚至手机信号接受器，将手机作为控制PLC的一个窗口。这些新技术的研发必定随着工业控制技术的不断发展，给我们更广阔的想象空间。

参考文献
[1] 潘琢金《C8051F330/1 混合信号ISP FLASH微控制器数据手册》2003/12
[2] 周立功单片机ZLG7289 串行接口LED数码管及键盘管理器件数据手册http://www.zlgmcu.com
[3] 新华龙电子有限公司《U-EC5操作指南》
[4] 陈晓平 李长杰 《Protel99 SE-电子线路CAD》东南大学出版社 2005年7月第一版
[5] 王卫兵 高俊山 《可编程序控制器原理及应用》机械工业出版社 2005年4月第二版
[6] 小小 红外遥控系统原理及单片机解码实例 2008/4/20http://blog.163.com/liutao_xx/blog/static