【正文】 接定位器等工具，Windows集成編譯環(huán)境μVision等。另外，Keil C51還帶有嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51。為了完成下位機(jī)的軟件功能并保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，采用基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51 Tiny的軟件設(shè)計(jì)，并且用C51高級語言和MCS51匯編語言來編寫程序，從而可以引入多任務(wù)機(jī)制進(jìn)行管理。 基于RTX 51Tiny操作系統(tǒng)的微控制器軟件設(shè)計(jì)過程，就是把應(yīng)用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個(gè)任務(wù)模塊，并對各個(gè)任務(wù)間的通信和任務(wù)的時(shí)延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。進(jìn)入運(yùn)行模式后，先讀取輸入端口的數(shù)據(jù)至輸入映像寄存器，然后依次讀取外部RAM中的指令，并對其進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)到對應(yīng)的解釋函數(shù)，最后將輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)寫到輸出端口。對每條指令都編寫一個(gè)對應(yīng)的C函數(shù)，執(zhí)行該指令應(yīng)完成的功能。由于單片機(jī)經(jīng)常工作在干擾比較大的環(huán)境中，各種各樣的干擾可能使單片機(jī)不能執(zhí)行正常的程序。控制LCD和薄膜鍵盤的工作。用戶可通過薄膜鍵盤干預(yù)控制器的工作，如選擇工作模式等等。對每個(gè)獨(dú)立的硬件進(jìn)行操作的驅(qū)動程序段放在一個(gè)任務(wù)中。這樣做能夠避免嵌入式操作系統(tǒng)的特殊問題—資源沖突和重入問題，而且利于系統(tǒng)維護(hù)與升級[6]。任務(wù)0：系統(tǒng)初始化任務(wù)。啟動任務(wù)1～9，并最后刪除任務(wù)0。根據(jù)當(dāng)前工作模式，顯示人機(jī)操作界面或者各I/O端口狀態(tài)。任務(wù)2：喂狗任務(wù)。任務(wù)3：按鍵處理任務(wù)。任務(wù)4：串行口通信任務(wù)。等待觸發(fā)信號，若SIGNAL被置位，讀串口中的數(shù)據(jù)，然后發(fā)信號給任務(wù)5，觸發(fā)存儲用戶程序任務(wù)。等待觸發(fā)信號，若SIGNAL被置位，將當(dāng)前讀取的PLC指令字節(jié)寫入外部RAM中。等待觸發(fā)信號，若SIGNAL被置位，將所有輸入端口的狀態(tài)讀入對應(yīng)的輸入映像寄存器。若輸入端口狀態(tài)與上一個(gè)掃描周期相比有變化，則發(fā)信號給任務(wù)1，觸發(fā)LCD顯示更新任務(wù)。等待觸發(fā)信號，若SIGNAL被置位，從起始地址開始讀取外部RAM中的數(shù)據(jù)，直到遇到表示結(jié)束的字節(jié)為止。任務(wù)8：指令解釋任務(wù)。發(fā)信號給任務(wù)9，觸發(fā)寫輸出端口任務(wù)。等待觸發(fā)信號，若SIGNAL被置位，將輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)寫入相對應(yīng)的輸出端口。下位機(jī)軟件的程序結(jié)構(gòu)如圖51所示。多個(gè)任務(wù)分別在各自的時(shí)間片內(nèi)訪問CPU，從而產(chǎn)生了微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行運(yùn)行的多任務(wù)效果，故程序結(jié)構(gòu)圖中顯示各任務(wù)是并行的關(guān)系。為此，系統(tǒng)往往把這些對象作為任務(wù)的軟件模塊來處理；另外，系統(tǒng)對實(shí)時(shí)的要求也比較高，用來快速響應(yīng)各種事件的處理。因此在系統(tǒng)要處理的對象比較多時(shí)，常會加載RTOS來減少工作量并保證可靠性。RTX51是由德國Keil公司開發(fā)的，專門針對8051兼容MCU所作的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使復(fù)雜的系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)以及有時(shí)間限制的工程開發(fā)變得簡單。可以使用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫RTX51應(yīng)用程序，并且用C51來編譯它們。RTX51 Tiny沒有優(yōu)先級之分，沒有郵箱機(jī)制，沒有動態(tài)內(nèi)存的管理。本節(jié)將介紹各任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹其中與實(shí)現(xiàn)PLC功能相關(guān)的任務(wù)。PLC內(nèi)部有輸入過程映像寄存器（I）、輸出過程映像寄存器（Q）、變量存儲區(qū)（V）、位存儲區(qū)（M）等存儲區(qū)。由于本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用C語言編程，只需聲明一組全局變量與各存儲區(qū)的標(biāo)識符相對應(yīng)，并將其初始化即可，C51編譯器為會自動為這些全局變量分配空間，大大減少了工作量?？晌粚ぶ穮^(qū)標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)內(nèi)部都有至少16字節(jié)的空間可以以位為單位進(jìn)行尋址，本系統(tǒng)所使用的ADuC841單片機(jī)也不例外。在位定義中，允許定義存儲類型，位變量都被放入一個(gè)位段，此段總位于單片機(jī)內(nèi)部RAM中。這為定義PLC存儲區(qū)提供了很大的方便。 //定義3個(gè)字節(jié)即24個(gè)點(diǎn)的I存儲區(qū)，位于可位尋址區(qū)中sbit I00=I[0]^0； // I存儲器中的第一個(gè)字節(jié)單元的第1位，一下類似sbit I01=I[0]^1；sbit I02=I[0]^2；sbit I03=I[0]^3；sbit I04=I[0]^4；sbit I05=I[0]^5；sbit I06=I[0]^6；sbit I07=I[0]^7；……這樣就定義了輸入過程映像存儲區(qū)中的第一個(gè)字節(jié)，在程序中就可以用這些全局變量來表示對應(yīng)的PLC功能存儲區(qū)。data區(qū)data區(qū)指的是8051單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器區(qū)，主要指片內(nèi)前128字節(jié)的內(nèi)部RAM。PLC中的變量存儲區(qū)（V）不需要進(jìn)行位尋址，但是也需要對這個(gè)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)段進(jìn)行比較快的存取，故適合聲明在data區(qū)。于是V存儲區(qū)的可以用如下所示的代碼來聲明，它在使用時(shí)會自動在data區(qū)分配空間：char VB[64]。要按字或雙字進(jìn)行存取就要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，比較繁瑣而且容易出錯(cuò)。聯(lián)合是可以（在不同時(shí)刻）保存不同類型和長度的對象的變量，編譯器負(fù)責(zé)跟蹤對象的長度和對齊要求。見下面的代碼：union u_tag{charB[64]。long int D[16]。這樣，就定義了可以在不同時(shí)間分別以字節(jié)、字或雙字進(jìn)行存取的V存儲區(qū)。這些寄存器包括控制寄存器、配置寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，提供了CPU和所有片上外圍設(shè)備的接口。通過配置ADCCON13，單片機(jī)片上的ADC模塊將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在寄存器ADCDATAH和ADCDATAL中。因此可以說，寄存器ADCDATAH/L就是現(xiàn)成的AIW存儲區(qū)。0x0F)*256)+ADCDATAL)將ADCDATAH的低4位乘以256，再與ADCDATAL相加，即得到一個(gè)字的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果。單片機(jī)內(nèi)部的DAC模塊的輸出是通過寫寄存器DACxH/L（x代表0或1）來實(shí)現(xiàn)的，CPU會負(fù)責(zé)將DACxH/L寫到模擬輸出端口。在實(shí)現(xiàn)了以上這些PLC功能存儲區(qū)在單片機(jī)內(nèi)部RAM中的映射之后，要完成控制器的I/O掃描就非常簡單了。在讀寫顯示單元之前應(yīng)先讀狀態(tài)寄存器，確認(rèn)控制器當(dāng)前狀態(tài)，以便指令和數(shù)據(jù)被正確地接受。在單片機(jī)一次讀、寫指令和數(shù)據(jù)時(shí)，STA0和STA1要同時(shí)有效――處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)【7】。圖形方式下，T6963C還提供對位的操作，即通過命令使液晶屏上任一個(gè)點(diǎn)顯示或不顯示【3】。若選擇停止模式，則顯示開始或停止用戶程序下載的選擇界面；若選擇運(yùn)行模式，則顯示各I/O端口的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，方法是對每個(gè)時(shí)刻的當(dāng)前菜單用反色顯示，在有鍵按下時(shí)，先取消當(dāng)前菜單的反顯，再根據(jù)按鍵信號將選中的菜單反顯。使用看門狗定時(shí)器后，如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)沒有進(jìn)行“喂狗”操作，即對WDCON中的WDE位置1，看門狗定時(shí)器將使系統(tǒng)復(fù)位或產(chǎn)生中斷。 串口通信的方式選擇、接收和發(fā)送控制以及串口的狀態(tài)標(biāo)志均由專用寄存器SCON控制和指示。任務(wù)代碼如下： define UART 4 void UART(void)_task_UART { while(1){ os_wait(K_SIG,0,0)。 //清標(biāo)志位 cmd=SBUF。 } } 本系統(tǒng)對外部RAM的存取采用24位尋址，采用匯編語言編程對24位地址空間進(jìn)行尋址，則可以直接寫3個(gè)地址寄存器來對外部RAM進(jìn)行讀寫。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的鍵盤比較簡單，采用按鍵與單片機(jī)的某輸入端口一一對應(yīng)的接線方式，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)該端口對應(yīng)的位被與地短接，輸入為0。按鍵處理任務(wù)的代碼如下： unsigned char KeyValue //按鍵的鍵值 define KEY 3 //按鍵處理任務(wù)的編號 void KEY(void)_task_KEY { while(1){ KeyValue=U1A。 //若切換到運(yùn)行模式，則給讀用戶程序任務(wù)發(fā)送信號 if(KeyValue==RUN)isr_send_signal(RUN_USR_CODE)。//每隔50ms掃描，sec根據(jù)實(shí)際晶振頻率及系統(tǒng)的INIT_CLOCK參數(shù)值決定 }} PLC指令解釋任務(wù)的實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)軟件中，根據(jù)編碼規(guī)律對PLC指令表進(jìn)行了唯一的編碼并生成二進(jìn)制文件。根據(jù)不同指令的不同意義，進(jìn)行不同的操作，使指令表程序可以實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境下的控制。然后從usr_code_ptr指針指向的地址開始讀取用戶程序。根據(jù)操作碼的含義和操作數(shù)的類型，可以判斷每個(gè)操作數(shù)需要讀幾個(gè)字節(jié)。這是一個(gè)“以空間換時(shí)間”的策略，因?yàn)楹瘮?shù)指針數(shù)組需要占用256字節(jié)。因此用這點(diǎn)空間換取程序效率的大大提高是非常值得的。堆棧中的數(shù)據(jù)一般按“先進(jìn)后出”的原則存取。Keil的庫函數(shù)_cror_和_crol_能分別實(shí)現(xiàn)字節(jié)的右移和左移，可以通過對字節(jié)的移位操作來模擬堆棧的入棧和出棧操作。后面幾節(jié)具體介紹常用PLC指令的解釋方法。常閉觸點(diǎn)對應(yīng)的存儲器地址位為0狀態(tài)時(shí)，該觸點(diǎn)閉合，在PLC語句表中，分別用LDN（Load Not）、AN（And Not）和ON（Or Not）來表示開始、串聯(lián)和并聯(lián)的常閉觸點(diǎn)，觸點(diǎn)符號中間的“/”表示常閉。見圖54。執(zhí)行A指令時(shí)，同樣判斷其帶單操作數(shù)，從下一個(gè)存儲單元中讀取操作數(shù)地址后將指令指定的位地址中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)和棧頂status中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)相“與”，結(jié)果存入棧頂status。執(zhí)行常閉觸點(diǎn)對應(yīng)的LCD、AN和ON指令時(shí)，取出指令指定的位地址中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)后，將它取反，然后再作對應(yīng)的裝載、與、或操作。本系統(tǒng)采用的與堆棧有關(guān)的指令有6個(gè)，它們的意義及實(shí)現(xiàn)原理解釋如下：裝載或（OLD，Or Load）指令，用于將兩個(gè)電路塊并聯(lián)。裝載與（ALD，And Load）指令，用于將兩個(gè)電路塊串聯(lián)。邏輯入棧指令（Logic Push,LPS）。邏輯讀棧指令（Logic Read,LPR）。邏輯出棧指令（Logic Pop,LPP）。裝載堆棧指令（Load Stack,n=1～8，LDS n）。立即(Immediate)觸點(diǎn)指令只能用于輸入量I，執(zhí)行立即觸點(diǎn)指令時(shí)，立即讀入物理輸入點(diǎn)的值，根據(jù)該值決定觸點(diǎn)的接通/斷開狀態(tài)，但是并不更新該物理輸入點(diǎn)對應(yīng)的輸入過程映像寄存器。立即觸點(diǎn)指令用C語言實(shí)現(xiàn)比較簡單，只需在讀該觸點(diǎn)值時(shí)直接讀對應(yīng)的物理端口。正/負(fù)跳變指令的助記符分別為EU（Edge Up，上升沿）和ED（Edge Down，下降沿），它們沒有操作數(shù)，觸點(diǎn)符號中間的“P”和“N”分別表示正跳變和負(fù)跳變。在每個(gè)掃描周期的末尾將各位元件的值賦給對應(yīng)的存儲變量，在下一個(gè)掃描周期中，若位元件的狀態(tài)發(fā)生變化，則通過與對應(yīng)的存儲變量的值進(jìn)行比較就可知道其是正跳變還是負(fù)跳變。若位元件為1，存儲變量為0，則為正跳變，EU被觸發(fā)；若位元件為0，存儲變量為1，則為負(fù)跳變，ED被觸發(fā)。當(dāng)CPU掃描到輸出指令時(shí)，解釋程序?qū)ｍ斨祻?fù)制到對應(yīng)的映像寄存器。執(zhí)行置位指令或復(fù)位指令時(shí)，從指定的位地址開始的N個(gè)連續(xù)的位地址都被置位（變?yōu)?）或復(fù)位（變?yōu)?），N＝1～255。取反（NOT）觸點(diǎn)將存放在堆棧頂部的邏輯運(yùn)算結(jié)果取反，故其在下位機(jī)解釋程序中的實(shí)現(xiàn)只需將status位取反再存入status即可：status=~status。故其在下位機(jī)解釋程序中可以用空循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，先取下一個(gè)字節(jié)中的操作數(shù)N，然后執(zhí)行N次空循環(huán)：char i。iN。PLC系統(tǒng)一般要三種不同時(shí)間間隔的定時(shí)器：1ms間隔定時(shí)器、10ms間隔定時(shí)器和100ms間隔定時(shí)器。然后要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量Timer來記錄定時(shí)器的狀態(tài)。由于本系統(tǒng)很少需要使用到精確到1ms的定時(shí)，故只在總共16個(gè)定時(shí)器中設(shè)置一個(gè)為1ms定時(shí)器；100ms定時(shí)器用戶需要使用的最多，因此系統(tǒng)需要提供的也最多，設(shè)置其中10個(gè)為100ms定時(shí)器，剩余5個(gè)為10ms定時(shí)器。定時(shí)器的當(dāng)前值、設(shè)定值均為16位有符號整數(shù)，允許最大值為32767。當(dāng)前值大于等于預(yù)置時(shí)間（Preset Time,PT）端指定的設(shè)定值時(shí)，定時(shí)器位變?yōu)镺N，梯形圖中該定時(shí)器的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。定時(shí)器指令的指令格式為：TON T0 E100在上述格式中，TO表示定時(shí)器的編號，可以根據(jù)該操作數(shù)找到定時(shí)器元件的變量。在上述指令中定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為100ms。彈出輸入值堆棧中的棧頂元素(該元素即為定時(shí)器的驅(qū)動元件)，判斷該元素的值是否為l，如果是，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，在到達(dá)時(shí)間基準(zhǔn)后，在定時(shí)器當(dāng)前值的基礎(chǔ)上加1。判斷當(dāng)前值是否等于預(yù)置值，如果相等，則定時(shí)器輸出值置l，如果不是，定時(shí)器輸出值置0。操作數(shù)K100表示計(jì)數(shù)器的預(yù)置值。當(dāng)解釋程序遇到計(jì)數(shù)器指令時(shí)（以CNT為例），解釋子程序需要完成如下操作：根據(jù)第一個(gè)操作數(shù)計(jì)算出當(dāng)前計(jì)數(shù)器的編號和變量存儲地址。如果不是，則計(jì)數(shù)器當(dāng)前值不變。否則置OFF。利用這個(gè)指針，程序才能正確地按順序執(zhí)行。當(dāng)CPU掃描到指令中有LBL時(shí)，解釋程序先讀取下一個(gè)字節(jié)中LBL指令的操作數(shù)，并為該操作數(shù)聲明一個(gè)對應(yīng)的全局變量。當(dāng)掃描到JMP指令時(shí)，則從與指令操作數(shù)對應(yīng)的全局變量中取出跳轉(zhuǎn)地址，從該地址的下一個(gè)字節(jié)開始執(zhí)行。 下位機(jī)軟件的特色本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件的特色就是使用專門的存儲區(qū)來存儲用戶程序本系統(tǒng)將上位機(jī)發(fā)送過來的用戶程序編碼存儲在外部數(shù)據(jù)RAM中，在執(zhí)行用戶程序時(shí)從該存儲區(qū)中讀取。(2)、便于訪問，方便PLC指令解釋程序的執(zhí)行。函數(shù)指針數(shù)組能高效地實(shí)現(xiàn)PLC指令的解釋。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的下位機(jī)部分的具體設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。后面分別介紹各任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)介紹了指令表的解釋執(zhí)行原理以及各指令的解釋執(zhí)行方法和程序?qū)崿F(xiàn)所采取的方法。總 結(jié) 本課題的主要任務(wù)是開發(fā)出一個(gè)能模擬小型可編程控制器（PLC）功能的通用控制器。 本論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面： 以ADuC841單片機(jī)作為核心控制芯片設(shè)計(jì)了控制