江吴芳 陆志强

（广州市轻工高级技工学校，广东 广州 510220）

1 系统开发背景

近年来随着自动化技术的发展，PLC控制的自动化设备的应用范围越来越广，其技术性能不断提高和完善，特别在集成化、智能化等方面，越来越突出。一台大型的自动化设备，需要控制的可编程控制器的数量也随着提升，在设备调试过程中，经常需要转换编程端口，操作繁琐且对设备造成一定程度的损坏。以我校自动化生产设备为例，由于实训过程中经常拔插，可编程序控制器的接口、编程电缆的接口损坏严重，该设计正好解决此问题，可以快速更换通讯接口，操作简单，且不损坏设备，同时还能实现不同型号、品牌的PLC通讯端口的转换。

2 系统总体设计方案

设计要求：设计PLC接口转换器的硬件电路图，并使用相应的软件实现硬件和软件的仿真、调试。实现功能如下：

（1）能够同时实现与5台可编程序控制器的通讯传输；

（2）同步显示5个通信通道的工作指示；

（3）设计继电器的电流放大电路，驱动相电压位5V、相电流位为0.4A的继电器工作；

（4）系统应具有启动停止功能。

根据系统的控制要求，可以划分为控制模块、驱动模块、键盘模块、显示模块、通讯接口模块及电源电路五大部分，如图1为PLC接口转换器系统图。

图1 PLC接口转换器系统图

3 系统分析与设计

3.1 硬件设计

本项目以AT89C51单片机芯片为核心控制系统，不断对键盘信号进行扫描，产生中断信号，控制系统对中断信号进行响应，并禁止输出响应信号，驱动继电器，连通键盘对应的通讯通道同步发出指示信号，显示该通道现在处于工作状态。与此同时，单片机控制系统禁止响应中断，在通讯传输完成之前，其他通道的信号选择不予响应。

1）主控部分：本系统的控制功能并不复杂，Atmel公司的AT89C51系列单片机芯片能够满足，且价格便宜，体积小，功耗低，编程灵活，硬件电路相对简单，易实现，因此用它作为中央控制器。

2）驱动模块：由于通过继电器来控制通讯信号线的接通与断开，单片机的驱动电流比较小，无法驱动继电器控制电路。如果通过功率放大电路来实现，电路制作较复杂，参数选择困难，甚至需要多级放大，运行状态存在不稳定现象。于是驱动模块采用ULN2003芯片驱动，当输入端为低电平时ULN输出端为高电平，继电器得电吸合，且芯片自身功耗小，驱动能力强，可靠性稳定性高，体积小，电路简单，使用更加方便。

3）键盘模块：键盘按钮包括档位按钮和停止按钮，由于在传输过程中不允许更换通道，采用74LS08与门芯片，对不同档位之前的信号起到互锁的作用。一旦选定通道，必须按下停止按钮，才能够重新选择通道。

4）显示模块：LED指示灯与继电器线圈并联，同步指示继电器的工作状态，方便操作系统时，能够清晰指示工作通道。

5）通讯模块：由于本系统没有更改通讯传输的标准，只是对于通信信号线进行控制，通过继电器控制信号的接通与断开，该通讯模块主要是RS232通讯接口，预备扩展的通讯接口有RS485、USB等通讯接口。

3.2 软件设计

软件实现键位扫描、消除抖动、按键互锁、外部中断响应、信号指示灯显示等功能，程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

3.3 电路调试

基于理论知识层面设计出PLC接口转换器系统的硬件电路和软件程序，从本质上是理论的分析，需要进一步验证其可行性和稳定性。根据系统的设计方案，在实际电路制作之前，先进行电路的仿真验证，测试系统的可行性，检验系统是否需要改进或者存在什么不足之处，以便更好的实现功能。

图3 硬件电路图

1）系统仿真调试

对于单片机硬件电路和软件编程的仿真调试，Proteus提供了2种方法：一种是总体执行效果，一种是对软件的分步调试以监控具体的执行情况。

系统仿真调试过程如下：（1）打开proteus仿真软件，调用元器，绘制硬件电路图，具体电路如图3所示；（2）将编写好的程序加载到电路图中，并编译仿真调试。打开调试软件，采用单步调试和断点调试的方法，监控电路运行效果，功能是否与系统设计要求一致，调试过程如图4所示。

图4 软件调试

2）硬件电路调试

系统通过软件仿真成功，进入实物制作与调试阶段。调试步骤如下：

（1）上电前电路检查，包括电源的连接、对芯片的焊接方向、引脚是否短路和断路进行检查，在确认焊接没有任何问题的情况下才能通电。

（2）上电检查：在确认电路没有焊接错误的情况下，进行上电检查，判断电路是否存在异常，如芯片发热。

（3）电路通电无异常情况下，检查各部分电路的工作电压是否正常，同时检查单片机的晶振电路，确定晶振是否起振，以保证电路能够正常工作。

（4）按住复位键，确保单片机保持在复位状态，测量各引脚的电平状况，可判断单片机是否正常工作。

（5）单片机正常工作情况下，烧录程序，进行实际电路调试。

4 结束语

本系统设计采用单片机AT89C51为核心控制器，通过键盘电路实现对不同通讯传输信号线的选择，能够实现在拔插传输线的情况下计算机可与多台可编程控制器进行传输。本系统还预留端口，用于其他通讯接口的扩展，如USB、RS485等通讯接口。将该转换器在自动化生产设备上试运行，状况良好。市面上的通讯电缆线是简单的将数据线和电源线并接在一起，只能适用于软件能够识别不同序列号的CPU，才能实现对不同可编程序控制器的数据链接。但由于某些品牌的可编程序控制器的编程软件没有这个识别功能，故目前市面上的转接器只能针对某一品牌使用，不具有通用性。由于采用标准的通讯接口，本系统是通过对信号线进行控制，不涉及编程软件问题，因此本转接器能够适用不同品牌的可编程序控制器的数据链接。

［1］杨宁，胡学军.单片机与控制技术[M].北京航空航天大学出版社,2005.

［2］郁成军，韩振泽，马燕飞.基于单片机89C51的异步串行接口键盘设计[J].现代电子技术，2004（11）：17-19.

［3］张义和，陈敌北.例说8051[M].人民邮电出版社,2006.

［4］徐萍.单片机技术项目教程[M].机械工业出版社,2012.