【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ency when practical application， thus has the strong usability． Key words： Monolithic microputer,programmable logic controller,piler,blind code， source program， target program 前 言 前人在單片機(jī)應(yīng)用研究和 PLC應(yīng)用研究方面已經(jīng)取得了豐碩的成果。當(dāng)今計(jì)算機(jī) 技術(shù)發(fā)展很快，編譯程序設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷發(fā)展。世界上現(xiàn)成的 PLC產(chǎn)品很多，每一 個(gè) PLC產(chǎn)品都有一個(gè) PLC編譯程序。我們要問(wèn)，本課題“基于單片機(jī)的 PLC編譯程序’’ 和其他的 PLC編譯程序雷同嗎 ?答案是不同。為了大大降低成本，實(shí)現(xiàn)如前所述的，在 機(jī)電一體化產(chǎn)品和自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)中直接用單片機(jī)芯片作為符合梯形圖邏輯的邏輯控制器， 就必須設(shè)計(jì)出可以將 PLC指令源程序翻譯成單片機(jī)目標(biāo)程序的編譯程序。在從事這項(xiàng)研究時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，本課題“基于單片機(jī)的 PLC編譯程序設(shè)計(jì)’’在應(yīng)用研究方法和具體內(nèi)容上都和前人有許多不同之處。 9 (1)首先，當(dāng)從市場(chǎng)上選來(lái)新～代的單片機(jī)芯片作為執(zhí)行符合梯形圖邏輯控制的 邏輯控制器，那么從總體上來(lái)看，基于該單片機(jī)芯片的 PLC編譯程序的設(shè)計(jì)就和其他 PLC的編譯程序設(shè)計(jì)不同，沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)成的編譯程序可以套用，必須做創(chuàng)造性的工作， 獨(dú)立完成基于該單片機(jī)的編譯程序設(shè)計(jì)。編寫基于該單片機(jī)的 PLC編譯程序，是本課題的主要工作任務(wù)之 一。 (2)其次，目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)也不同。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片不同，內(nèi)部的硬件資源也 就不同，目標(biāo)指令代碼和目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)也就不同。因此在編譯程序編寫前，必須根據(jù)單片機(jī)芯片編程的特點(diǎn)設(shè)定目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)。有許多影響目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)的因素，諸如 CPU初始化、內(nèi)部硬件定時(shí)器設(shè)定、中斷結(jié)構(gòu)、接口的初始化等。設(shè)定目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)，是本課題的另一項(xiàng)主要工作任務(wù)。 (3) 本課題的一項(xiàng)有特色的工作是在應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于單片機(jī)的 PLC 的源程序代碼標(biāo)準(zhǔn)集合和目標(biāo)程序代碼集合，并且用集合和映射的方法為基于單片機(jī)的 PLC源 程序代碼、目標(biāo)代碼以及翻譯方法建模。此外在設(shè)計(jì)中采用盲碼預(yù)填及修正技術(shù)。 總之，基于單片機(jī)的 PLC編譯程序設(shè)計(jì)研究是一項(xiàng)具有創(chuàng)造性的工作，需要充分吸 收前人 經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)創(chuàng)創(chuàng)新，建立新的模型，新的結(jié)構(gòu)，新的方法 1 基于單片機(jī)的 PLC的單片機(jī)程序模塊研究及其目標(biāo)程序框架的構(gòu)建 基于單片機(jī)的 PLC編譯程序的功能是將基于單片機(jī)的 PLC源程序翻譯成單片機(jī)目 標(biāo)程序。為了設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的 PLC編譯程序，首先要構(gòu)建出每一條源程序指令所 對(duì)應(yīng)的單片機(jī)程序模塊?；趩纹瑱C(jī)的 PLC的源程序指令采用可編程序邏輯控制器最 基 本指令的助記符，包括 AND， ANI， OR， ORI， LD， LDI， OUT， STORE， TIM， CNT， RST， PLS， DIN， SFT， END等基本邏輯指令。但是，這些基本邏輯指令所對(duì) 應(yīng)的單片機(jī)程序模塊的程序長(zhǎng)短不一，有的只有 l~2條單片機(jī)指令組成，有的則需十幾條或幾十條單片機(jī)指令組成。 基于單片機(jī)的 PLC常用的單片機(jī)程序模塊的構(gòu)建 大部分 PLC指令的單片機(jī)程序模塊只需 l~2條單片機(jī)指令組成。 AND、 ANI、 OR、 ORI、 LD、 LDI、 OUT、 STORE指令的單片機(jī)程序 (指令 )如表 2． 1所示。由 于選擇 了 Atmel公司的 AT89C52單片機(jī)芯片作為處理器，所以單片機(jī)程序使用 MCS． 51單片機(jī)指令系統(tǒng) (AT89C52單片機(jī)采用了 MCS． 51單片機(jī)指令系統(tǒng) )。表 1． 1 基于單片機(jī)的 PLC 10 中常用 PLC邏輯指令的單片機(jī)程序模塊序號(hào) PLC邏輯指令單片機(jī)程序模塊 (指令 ) 目標(biāo)程序代碼 序號(hào) PLC邏輯指令 單片機(jī)模塊（指令） 目標(biāo)程序代碼 1 LD bit MOV C, bit A2, bit 2 LDI bit MOV C, bit CPL C A2, bit B3 3 AND bit ANL C， bit 82, bit 4 ANI bit ANL C, bit B0, bit 5 OR bit ORL C, bit 72, bit 6 ORI bit ORL C, bit A0, bit 7 STORE bit MOV C, bit 92, bit 8 OUT bit CPL C MOV bit, C B3 92, bit 表 1． 1 基于單片機(jī)的 PLC中常用 PLC邏輯指令的單片機(jī)程序模塊 在表 1． 1的邏輯指令中，運(yùn)算都圍繞位累 加器 C進(jìn)行。表中的 bit表示位地址，它 們都是單片機(jī)中片內(nèi) RAM中可直接位尋址的位 (位地址 )。 (如延時(shí)計(jì)時(shí)器類、脈沖微分類、計(jì)數(shù)器類、移位類等 )的單片機(jī)程序模塊需十幾條或 幾十條單片機(jī)指令組成。下面是對(duì)此類 PLC邏輯指令的單片機(jī)程序模塊建立過(guò)程的分析。 基于單片機(jī)的 PLC的 TIM Ti語(yǔ)句的單片機(jī)程序模塊構(gòu)建 1． 2． 1 圍繞 TIM Ti片內(nèi)硬件資源的配置 梯形圖中的延時(shí)計(jì)時(shí)器通?？梢杂卸鄠€(gè)，它們需要有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘。在基于單片機(jī)的 PLC中用 AT89C52芯片內(nèi)的 T0來(lái)作統(tǒng)一的時(shí)鐘。 TO設(shè) 定成定時(shí) 0． 1s，每隔O． 1sT0中斷一次。在 To中斷服務(wù)程序中依次將多個(gè)延時(shí)計(jì)時(shí)器的軟加 l計(jì)數(shù)器加 l。實(shí)現(xiàn) TIM指令所需要的片內(nèi)資源有：①延時(shí)計(jì)時(shí)器的邏輯位 Ti，位地址 30H． 3FH；②延時(shí)計(jì)時(shí)器的狀態(tài)標(biāo)志位 Si，位地址 40H． 4FH；⑨延時(shí)計(jì)時(shí)器的軟加 1計(jì)數(shù)器 Zi， Zi由兩字節(jié)寄存器組成，由 TO中斷服務(wù)程序?qū)ζ鋵?shí)行加 1計(jì)數(shù)，可記錄 4位 BCD數(shù)，字節(jié) 地址 50H， 51H， 52H， 53H，．， 6EH， 6FH。④延時(shí)計(jì)時(shí)器延時(shí)時(shí)間常數(shù)寄存器 Z； 11 Z；也由兩字節(jié)寄存器組成，可記錄 4位 BCD數(shù)，字節(jié)地址為 30H， 31H，．．， 4EH，4FH。 。 1． 2. 2 TIM Ti所需的 To中斷服務(wù)程序 單片機(jī)初始化時(shí)，將 To設(shè)定成定時(shí)方式 l，并開(kāi)放 To中斷。 To的初值計(jì)算公式為： 初值?Ta ??? st ?定時(shí)間，??? M H zf 晶振頻率，??? 圖 1． 1 TO中斷服務(wù)程序流程圖 TO的定時(shí)方式和初值在單片機(jī)初始化時(shí)設(shè)定， TO中斷服務(wù)程序依次掃描 16個(gè)延 fat 12)2(16 ??? 12 時(shí)計(jì)時(shí)器，先判斷 Si是否為“ 1， 即該計(jì)時(shí)器是否已被開(kāi)啟，只對(duì)開(kāi)啟的計(jì)時(shí)器的軟 加 1計(jì)數(shù)器 Zi實(shí)行加 1操作。其流程見(jiàn)圖 2． 1。 1． 2． 3 TIM Ti模塊的流程分析和建立 與梯形圖中延時(shí)計(jì)時(shí)器所對(duì)應(yīng)的 TIM Ti邏輯指令的單片機(jī)程序模塊流程見(jiàn)圖 1． 2。這是一個(gè)對(duì)第 i個(gè)延時(shí)計(jì)時(shí)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理的模塊，運(yùn)算的依據(jù)是已知的當(dāng)前邏輯運(yùn)算值 (在累加器 C中 )。開(kāi)動(dòng)延時(shí)計(jì)時(shí)器 (實(shí)行 Si— l的操作 )的條件是：當(dāng) C=I，同時(shí) Si=0(第 i個(gè)延時(shí)計(jì)時(shí)器還未處于開(kāi)動(dòng)狀態(tài)時(shí) )，同時(shí) Ti≠ 1(延時(shí)計(jì)時(shí)器邏 輯 位還未置“ 1)。 圖 1． 2 TIM Ti邏輯指令的單片機(jī)程序模塊流程圖 13 1． 3 CNT Ci 語(yǔ)句的單片機(jī)程序模塊的構(gòu)建 計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器使用相同的片內(nèi)資源。在用 PLC指令編程時(shí)，同一個(gè)引用名不能 同時(shí)作計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器。 CNT指令的單片機(jī)程序模塊用 Ci表示計(jì)數(shù)器的邏輯位，位地 址 30H． 3FH；用 ni表示計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖前沿識(shí)別位，位地址 50H一 5FH；用 Di(雙字節(jié)寄存器 )表示軟加 1計(jì)數(shù)器， Di由 Di， 0和 Di， 1組成；用 D’i表示計(jì)數(shù)器的 預(yù)置值寄存器 (雙字節(jié)寄存器 )， D39。i由 D’i， 0和 D’i,i組成；另外，由 RSTC指令實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的清零。 CNT Ci計(jì)數(shù)指令的單片機(jī)程序模塊如下： 14 1． 4 PLS． 8 Yi 脈沖微分語(yǔ)句的單片機(jī)程序模塊的構(gòu)建 本系統(tǒng)共設(shè)有 8個(gè)脈沖微分寄存器。脈沖微分類運(yùn)算的單片機(jī)程序模塊所占的片內(nèi)資源較少。它們分別是：①脈沖微分寄存器的邏輯位 Yi，位地址 08H． 0FH；②用于寄存前次輸入的寄存器 Pi，位地址 18H． 1FH。 PLS脈沖微分的單片機(jī)程序模塊流程見(jiàn) 15 圖 2． 3。程序中通過(guò)對(duì)本次輸入 (累加器 C)和前次 輸入 (Pi)進(jìn)行判斷，當(dāng) C=I同時(shí) Pi=0時(shí)才產(chǎn)生脈沖微分信號(hào) (Yi=1)。由于掃描梯形圖時(shí)，主程序在總體上是循環(huán)結(jié)構(gòu)， 所以微分脈沖寬度等于梯形圖掃描周期。 1. 5 移位類語(yǔ)句的單片機(jī)程序模塊的構(gòu)建 共提供了 4個(gè) 8位移位寄存器。移位類運(yùn)算的單片機(jī)程序模塊所占的片內(nèi)資源有： ①移位寄存器，用 Mi表示，字節(jié)地址分別為 2CH， 2DH， 2EH， 2FH；②移位輸入暫 存位，用 Gi表示；③移位脈沖前沿識(shí)別位 Hi，位地址 28H， 29H， 2AH， 2BH。移位類 運(yùn)算程序由三個(gè)程序模塊組成。一個(gè)是對(duì)應(yīng)于 DIN Mi的單片機(jī)程序模塊。其功能是將 輸入端的邏輯值暫存在 Gi中，供 SFT指令使用；第二個(gè)是對(duì)應(yīng)于 SFT Mi的移位操作 程序模塊，其功能是依據(jù)已知的當(dāng)前邏輯運(yùn)算值 (在累加器 C中 )，以及 Hi的值，判斷 16 移位脈沖是否到；當(dāng)移位脈沖到時(shí)，將輸入暫存位 Gi中的值移入移位寄存器 Mi。第三 個(gè)是對(duì)應(yīng)于 RSTS指令的移位寄存器復(fù)位程序模塊。 DIN Mi指令的單片機(jī)程序模塊如下： MOV Gi， C ；僅僅一條單片機(jī)指令。 SFT Mi移位操作指令的單片機(jī)程序模塊如下： 1. 6 基于單片機(jī)的 PLC目標(biāo)程序框架的構(gòu)建 基 于單片機(jī)的 PLC編譯程序的功能是將基于單片機(jī)的 PLC的源程序語(yǔ)句翻譯成單片機(jī)的目標(biāo)程序。在基于單片機(jī)的 PLC編譯問(wèn)題中，目標(biāo)程序框架和單片機(jī)的芯片編程相關(guān)，諸如 CPU初始化、內(nèi)部硬件定時(shí)器設(shè)定、接口的初始化等。根據(jù)基于單片機(jī)的 PLC的要求，建立目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)，如表 1． 6所示。其中，固定代碼的編譯結(jié)果基本是固定的?；顒?dòng)代碼是和源程序語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的目標(biāo)程序代碼。固定代碼和活動(dòng)代碼均采用單片機(jī)的機(jī)器指令代碼。當(dāng)基于單片機(jī)的 PLC編譯程序工作時(shí)，對(duì)表 1． 6中固定代碼的裝配過(guò)程較簡(jiǎn)單。而活動(dòng)代碼的 裝配則涉及到對(duì)源程序語(yǔ)句的識(shí)別、查錯(cuò)、 17 翻譯生成目標(biāo)代碼等過(guò)程，是編譯程序主要需要解決的問(wèn)題?；顒?dòng)代碼具體裝配的內(nèi)容由 1． 1 – 。 表 1． 6 基于單片機(jī)的 PLC目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu) 在表 1． 6所示的基于單片機(jī)的 PLC目標(biāo)程序框架結(jié)構(gòu)中，專用地址矢量、延時(shí) 20ms子程序、 CPU和接口初始化子程序、定時(shí)器初值設(shè)定子程序、 TO中斷服務(wù)子程序、主程序開(kāi)始初始化設(shè)定、輸入刷新，這些均屬于固定目標(biāo)代碼。它們又被分為兩種：一種為純固定目標(biāo)代碼，例如專用地址矢量、延時(shí) 20ms子程序、 CPU和接口初始化子程序、 TO中斷服務(wù)子程序、主程序開(kāi)始初始化設(shè)定、輸入刷新；另一種為含盲碼、待修正的固定目標(biāo)代碼，例如定時(shí)器初值設(shè)定子程序。 0066H． 00C5H單元共 96個(gè)字節(jié)用于定時(shí)器初值設(shè)定子程序預(yù)留空間。先用盲碼 值 00H填充。等編譯程序中執(zhí)行“掃描源程序文件，逐條翻譯．．． 時(shí)，得到源程序 提供的定時(shí)器初值，再在用正式代碼 (以 MOV指令目標(biāo)代碼的形式，并含定時(shí)器初值 ) 代替相應(yīng)位置上的盲碼。關(guān)于盲碼， 3． 5中還要敘述。 表 1． 6中入口符號(hào)地址 THTL處為 TO中斷服務(wù)子程序。在 2． 2． 2中已經(jīng)敘 述 了 TO中斷服務(wù)子程序的流程。它們的具體程序如下： 18 19 2 基于單片機(jī)的 PLC編譯程序總體設(shè)計(jì)方法 基于單片機(jī)的 PLC編譯程序總體設(shè)計(jì)方法碰到的第一個(gè)問(wèn)題是源程序指令模板和目標(biāo)代碼模板在編譯程序中如何表達(dá) ?接著第二個(gè)問(wèn)題是如何根據(jù)已知的源程序指令正確的找到目標(biāo)代碼程序 ?如何建立單片 PLC源程序語(yǔ)句和目標(biāo)代碼之間的關(guān)系 ? 為了在編譯時(shí)有一個(gè)對(duì)源程序語(yǔ)句的識(shí)別、查錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)，需要就基于單片機(jī)的 PLC 的 AND、 ANI、 OR、 ORI、 LD、 LDI、 OUT、 STORE、 TIM、 CNT、 RST、 PLS、 DIN、 SFT、 END等基本邏輯指令，建立基于單片機(jī)的 PLC源程序語(yǔ)句標(biāo)準(zhǔn)集合。 2． 1 采用數(shù)組技術(shù)構(gòu)建基于單片機(jī)的 PLC源程序語(yǔ)句標(biāo)準(zhǔn)集合 2． 1． 1 基于單片機(jī)的 PLC源程序語(yǔ)句標(biāo)準(zhǔn)集合的定義 定義 1： M是集合，在基于單片機(jī)的 PLC編譯程序中用數(shù)組表示。 m iJ是其元素， m i j ? M， m i j為 1字節(jié) ASCII字符，且有子集 Mi ? M Mi： {m?mi2， ??， mik} (1) Mi為 M數(shù)組行元素集合，其前 k— 1個(gè)字符組成的字符串記為： String Mi=