许 明， 刘 旭， 王 学 俊

（1.大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034；2.大连港旅顺港务有限公司 工程技术部，辽宁 大连 116052）

0 引 言

目前，在工业控制领域，PLC 以其强大的功能、完善的指令系统占据着大规模、大批量生产的应用场合；而在小规模生产控制场合中，单片机以其超低的成本价格被绝大多数人所认可［1］。但在较小规模自动控制应用场合中，采用PLC控制会增加控制成本，如果利用单片机控制则会带来编程复杂、延长设计周期等问题。针对上述情况，作者研发了一种适用于较小规模自动控制场合的微型控制器。

微型控制器以单片机为控制核心，通过数字量输入、输出模块与外部工业设备连接，完成简单的开关量的逻辑运算、定时、计数、数字量的采集、输出等功能，实现对外部工业设备控制的目的。

1 系统配置

微型控制器主要由PC机软件、主控模块及数字量输入、输出模块组成，其配置图如图1所示。

图1 微型控制器配置图Fig.1 Simple controller device's disposition

微型控制器执行程序的处理在PC 机软件上完成。该软件包括执行程序编辑模块、编译模块和下载模块三部分，软件的3个模块分别完成执行程序的编辑、编译及下载工作。执行程序利用类PLC指令系统编写，程序编写完成后经过编译软件的编译生成二进制程序代码，最后由下载软件通过串口发送给单片机芯片，实现执行程序在线编辑及下载功能。

微型控制器主控模块以SST89E516RD 单片机为控制核心芯片，利用芯片所特有的IAP操作模式接收 PC 机发送的执行程序代码。SST89E516RD 单片机FLASH 存储器被分成两个独立的程序存储块，8K字节的二级FLASH 块能被映射到64K字节低地址空间［2］。将IAP模式应用程序存储在单片机的Block 1程序存储区内，利用该应用程序将微型控制器执行程序代码写入Block 0程序存储区，然后通过SFCF［1∶0］位进行存储块的切换，达到执行程序的执行目的［3］。

微型控制器通过数字量输入、输出模块与外部工业设备连接。模块采用可级联的串行数据寄存器为核心芯片，方便模块进行扩展、升级，以满足外部开关量的数量要求。

2 IAP 下载程序

微型控制器利用单片机的IAP 模式操作完成执行程序的在线下载。该操作包括：存储器擦除、字节编程、字节校验等［4］。

微型控制器IAP模式应用程序采用查询方式接收PC机发送的命令符，根据所接收到的命令符执行相应的IAP操作。程序流程图如图2所示。

下载过程通常按以下步骤进行：首先进行块擦除，其次为字节写入，最后进行字节校验。

3 PC机软件

PC机软件利用VB6.0面向对象语言编制。通过PC 机软件实现微型控制器执行程序的处理，该过程需要3个步骤，即：执行程序的编辑、编译、下载。三者的关系如图3所示。

图2 微型控制器程序流程图Fig.2 Simple controller device's flow block diagram

图3 PC机软件流程图Fig.3 Flow block diagram of PC software

3.1 程序编辑模块

程序编辑模块采用Rich TextBox控件编制，该控件可用于文本的输入和编辑，同时为了更好地实现执行程序的编辑、修改功能，软件设置了编辑下拉菜单，可对Rich TextBox控件内的内容进行剪切、复制、粘贴、查找和替换等操作。界面如图4所示。

图4 软件编辑界面Fig.4 Edition contact surface of software

控制器采用类PLC指令系统进行编程，完成简单的开关量的逻辑运算。该指令系统包含：LD、LDI、AND、ANDI、OR、ORI、OUT、TIM 及CON 等指令，其中TIM 与CON 分别实现定时及计数功能。执行程序编辑模块可将程序保存为.txt格式文件，方便于执行程序的查看及修改。

3.2 程序编译模块

由于微型控制器执行程序采用类PLC 程序指令系统编写，不能直接被控制器应用，因此需要对执行程序进行编译。利用编译软件，不仅可以检查执行程序是否有语法错误，还可以将执行程序转换为能够被微型控制器所执行的二进制代码。对执行程序进行编译的过程分为以下3个步骤：

（1）对执行程序进行读取。软件利用VB 中自带的Split（）函数对执行程序内容进行分行读取。Split（）函数返回一个下标从零开始的一维数组，它包含指定数目的子字符串［5］。

（2）对字符串进行规格化处理。为了便于程序的编译，并考虑到微型控制器控制指令的规范性要求，规定标准程序字段格式为“XXXX 凵XXX”，即“程序命令符+空格+继电器编码”。规格化处理过程包括：去除字符串中多余的空格，字符的大小写转换等。例如“凵凵Ld凵x00 凵凵”程序段，化为标准格式为“LD 凵X00”。

（3）对已化为规格化形式的类PLC 程序语句进行转换，将类PLC语句转换为单片机芯片的二进制代码。由于微型控制器只是完成简单开关量的逻辑运算，彼此之间仅仅是位运算，因此选择进位标志位C来进行运算处理。类PLC 指令与汇编指令对应关系如表1所示。

表1 类PLC指令与汇编指令对应表Tab.1 The corresponding of class PLC instruction and assembly instructions

微型控制器最大可设有32个输入继电器、32个输出继电器、32个中间继电器。继电器的状态均存储在单片机中的RAM 位寻址区且与位地址一一对应。控制器将继电器的状态保存在其对应的位地址寄存器中，通过对位寄存器存储内容的改变实现单片机对继电器的操作。继电器与单片机RAM 位地址对应关系如表2所示。

表2 继电器与RAM 位寻址区位地址映射表Tab.2 The corresponding of relay and RAM position addressing position address

根据表1、2可以将类PLC 执行程序转换为单片机对相应位地址的操作，再将单片机汇编程序转换为二进制代码实现执行程序的编译。为了提高软件的执行速度和方便下载软件对程序代码的处理，软件中定义一个全局数组a（i）存储执行程序编译生成的二进制代码。

以下列微型控制器类PLC 执行程序片段为例：

根据表2 所示，X00 继电器对应位地址为“00H”，M01继电器对应位地址为“21H”，Y02继电器对应位地址为“42H”，同时查表1 可知：“LD”命令对应汇编语言指令为“MOV C，bit”，“AND”命令对应汇编语言指令为“ANL C，bit”，“OUT”命令对应汇编语言指令为“MOV bit，C”，由此可知。类PLC 程序转换为单片机汇编语言程序为：

对应的二进制代码为“A2 00 82 21 92 42”，将代码依次存入a（i）中，即：

3.3 程序下载模块

经过编译软件的编译，微型控制器执行程序转换为二进制代码存储在数组a（i）中，为了实现执行程序的运行，需要将数组a（i）发送给微型控制器主控模块。

系统的PC机与主控模块利用串口进行数据通信，通信双方约定：波特率为4 800B／s；信息格式为8个数据位，1个停止位，无校验位；传送方式为PC机采用查询方式接收与发送数据。

下载模块利用VB6.0提供的MSComm 控件通过串口与主控模块进行数据交换，完成PC 机与主控模块的数据通信。该控件提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性的方法提供了串行通信参数的设置，解决了串行通信的问题［6］。

MSComm 通信控件，具有功能完善的串口数据的发送和接收功能，具有两种处理通信的方式：事件驱动方式和查询方式。由于查询方式占用的系统资源较多，所以采用事件驱动方式实现串行数据通信［7］。

由于需要发送的数据多达64K 字节，为了提高数据传输的准确性，进行分批发送。软件每次发送64字节数据，发送完毕后等待单片机的应答信号。单片机处理完毕接收到的64字节数据后，向PC机返回应答信号“AA”，PC机根据接收的应答信号判断是否发送下一批次数据。如果接收到的信号为“AA”，则继续发送，否则重新发送数据。

以下为PC机与单片机串行通信的部分代码：

4 结 论

本文提到的微型控制器已在仪表自动车床改造中使用，从应用结果看，机床运行稳定，控制简单方便，达到技术要求。可得出以下结论：采用SST89E516RD 单片机为控制芯片，降低了控制器成本，并利用芯片的IAP 模式，实现微型控制器执行程序的在线编辑与下载，改善了控制器的性能。PC机软件利用VB6.0中的Rich textbox控件及MSComm 控件编制，利用类PLC 程序指令完成微型控制器执行程序的编写，达到简化编程的目的，同时完成执行程序的编译及下载功能，使其更便于用在中小型工业设备的控制中。

［1］张昆，张晓光.一个微型控制器设计中的技巧［J］.计算机应用研究，1994（4）：21-23.

［2］吴锦虹，黄誉，陈凯.SST89E516RD 存储空间的组织与IAP实现［J］.电子制作，2007（5）：60-63.

［3］吴汉清.用SST89E516RD 自制51 单片机仿真器［J］.无线电，2007（10）：72-74.

［4］忠梅.单片机的应用程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1997.

［5］李天启，成昊.Visual Basic 6.0学习捷径［M］.北京：清华大学出版社，1998.

［6］李江全，张丽.Visual Basic串口通信与测控应用技术实战详解［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［7］范逸之，陈立元.Visual Basic与RS232 串行通信控制［M］.北京：清华大学出版社，2002.