（机械设计及理论专业论文）8098芯片plc语言编程方法研究.pdf

摘要( 中) 摘要y 。3 0 6 0 6 8 本论文利用反求工程原理，通过对p l c 指令功能的分析，探索各指令的编 程，系统运行程序和p l c 语言的翻译程序。并用8 8 9 8 汇编语言编写了p l c 语 言的开关量逻辑控制指令和系统运行程序，用v i s u a lb a s i c 语言编写了p e t 语言的翻译程序。本系统在清华大学t s c - 5 1 9 8 实验开发系统和上位机上测试 通过。为自主开发p l c 产品或用p l c 语言开发的系统提供了理论基础和编程方 法。 关键词：可编程控制器，p i c ，i l o 服务，翻译程序，系统运行程序 一一一堡登! 墨! a b s t r a c t t h i s p a p e r u s e st h e t h e o 翠o f i n v e r s e - s e e ke n g i n 龇i n g b y m e a n so f t h e a n a l y s i s o f t h ef u n c l i o no f p l c i n s t r u c t i o n , s e e k i n ga t t e r t h ep r o 露a mo f e a c hp l ci n 髓n i 娟o n s y s t e mr u n n m gp r o g r a ma n d 蜘m s l 她p r o g r a ma a v i n gw t h e d i g i t a ll o g i c c o n t r o li n s t r u c t i o no fp l c l 鞠g 旧萨a n ds y s t e mr u n n i n gp r o g r a mu 斑毽o f8 0 9 8 a s s e m b l yl a n g u a g e , t h et r a 璐l 撕n gp r o g r a mo f p l cl a l 弩1 4 9 eu s i n go f v i g l a lb a s i c l a n g u a g e t h i ss y s t e mi st e s t e da n dp a s s 翻w i t ht h et s i n g h u au n i v 蘸t yt s c - 5 1 9 8 s c m d e v e l o p m e n ts y s t e ma n du p p e rc o m p u t e r t h i sp a p e ro f f c l st h eb a s i so f t h e o r y a n dp r o g r a m m i n gm e t h o df o rf l - e e d o e q d 凇, l o p i n gp l cp r o d u c t i o na n ds y s t e m d e v e l 叩e d w i t h p l c l a 】喀嘲8 最 k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l c x , p l c ，f o s e r v i c e , t r a n s l a t i n gp r o g r a m , s y s t e mr u n n i n gp r o f f a m 前言 单片机具有体积小，功能强，用途广，使用灵括，价格便宜，工作可靠等 麓婚$ 点，所以在工业现场的测控领域应用缀广。单片枧虽然其有上述优点， 但是单片机由于硬件支持和需要所隈。大多数单片机不使用高级语言，而通常 使用汇编语言。这对于长舰从事继电器控制的机械工利m 来说，编写符合要求 静萃片瓶程序，往往非常困难。 可编程控制器，简称p i e 。它是以微处理技术为基础。综合了计算机技 术、骞动化技术襁通讯技术舶种新型工业殓制装置。它从人十年代末诞生以 来，在i 乐二十年来得到了迅猛的发展。p c 戳其呵靠性极高、耐恶劣环境能力 强、使用极为方便三大特点，迅速占领 r 工业生产自动化领域，成为工业囱动 牝须城蝴有力工具。蒡且与辊器入、醴d 船缫弗称为1 盟生产自动化翡三大 支柱。我国在1 9 7 4 年开始p i e 的研究，但进展一直不大。目前，p i j c 产品大 多教4 舞进口，价格昂贵。 p l c 采用面向用户的梯形困编程方法。般有组指令集与之对应。对r 从事继电器工作的工程师来说，很容易掌握。为了既发挥单片机的独特优点， 又有剥千机械工程技术人员对单片机的方攫控羽，借鉴p l c 的缀理及语言特 点本论文对8 0 9 8 单片机p l c 编程方法进行了初步的研究。预达两个目的： 一是进行有自主知识产权的p 1 c 产品的发。二是为系统设计用户提供以p i c 语言为基础，专用芯片的应用开发。 目前的p l c 资料主要是介绍p i g 的原理，著名厂商的p i g 产品指令集和p i c 在工监控制中的应用。而对p l c 的硬件设计凡乎没有涉及。本论文运嗣反隶璇 计法，通过对无锡华光电予工业有b 公司生产的跚型p i , c 指令集的分析，研 究了p l c 软件实现盼方法。反求工趱是消化吸收国， 先进技术的一系列分析方 法和应用技术的组合。它通过对先进产品或设备的实物、资料软件等的分析， 探索掌握其关键搜术问题，进而开发出同类i 勺或优丁同娄的先进产晶。 本论文透过对p i e 指令功能的分轿，瑁8 0 9 8 汇编语言鳊写rp l c 语言的 开关量逻辑控制指令；通i 出口p l c 运 i 原理的分析，编写r 系统运行程序。但 单片枫的c p u 小能直接运 调户用p l c 语言编写的用户程t 。为托，设计了由 p l c 语言转换为汇编语言的翻译 序。 p l c 语言的软件实现有阿条途径：解群执行或编译执行。解释执行的过穰 是取p l c 指令，辩4 指令，然薪调瑁该指令对应的予程执行。褥条p u 2 指令 对应一组指令代码，由p l c 谲言翻译成指令码相对简单所e _ 内存空间也较! p 。 但由于每次执行均要经过解释放每条指令的执籀时间大大增加，这对于实时拄 制是不理想的。编译执行条件下，p l c 指令的解释以在韶译过程中完成，运行 时无需再逐条解释，从而减少了每条指令的运行时间。当然，用户程序所占内 存空闰也耜瘦增大，同时由眦指令到机器语言的编译难度与工作量都增加 了。为了减少指令 螺内存钢目过多和减小编译工作量，本论文采用r 指令主 程序段与子程序段相结食的编程策略。 第1 章p l c 的工作原理及内存空间分配 鏊熬羹i 瀵薹酸纂黼蘩瀚藕麓囊鞫蘩夔冀粪鋈霪鬓 1 1p l c 的工作原理 图1 1 示可编程控制器( p l c ) 的基本工作原理。 l ol- - 嫡入誓存器 o 山山山 1 01输入陕蒜区o l fx y输出耿象区z l 山山山 lx y输出镜存嚣z l 图1 1p l c 工作原理 由图1 1 可以看到，p l c 自动循环执行用户程序。每一次执行称 为一次扫描，每个扫描周期包括下述三个步骤： 1 输入处理 在每个扫描周期的开始，总是首先读入连接着该p l c 的各输入端 子状态，并把这些状态值依次写入输入映象区。 2 程序处理 每个扫描周期中，p l c 的c p u 依次读入程序存储器所存的指令， 并按照需要将执行结果写入输出映象区或有关的线圈寄存器。 3 输出处理 全部指令执行完毕，将输出映象区的内容送到输出锁存器，以完 成对外设的实际控制输出。 出 蝻 输 读 写-l 第1 章p l c 的工作原理及内存空间分配 1 2 内存空间分配 本论文采用8 0 9 8 芯片作为p l c 的处理器，并采用清华大学t s c 一 5 1 9 8 单片机开发系统，实现p l c 的控制功能。作者的目的有二：1 研究p l c 语言实现的软件，并为设计p l c 产品提供理论基础；2 所研 究的软件可用于用户自行开发的单片机控制系统，即用户可享受p l c 语言编程的便利，减轻汇编语言编写软件的压力，集中精力研究硬件 配置。 为此在内存空间( 片内存储器和片外存储器) 的分配上作者作了 如下考虑： 1 8 0 9 8 芯片内的存储器空间用于功能存储器和某些专用寄存器 ( 见附录a ) ，用户不能更动。 功能存储器是用于存放p l c 线圈状态的存储区域。这部分存储器 被分为6 个区域( 见表卜1 ) 。功能存储器的每一位均代表一个继电 器线圈，因此，功能存储器最好能够进行位寻址。鉴于8 0 9 8 芯片内 部寄存器只能进行位测试，而不能进行位寻址，故而在p l c 指令编程 中，采用位测试指令加掩盖字的办法解决位数据的传送问题。 表卜i 功能存储器一览表 功能存储器名称代号 范围点数8 0 9 8 芯片对应地址 输入线圈 i1 0 0 0 - 1 0 7 76 44 0 h 一4 f h ( 偶地址) 输出线圈 q0 0 0 0 一q 0 7 7 6 4 5 0 h - 5 f h ( 偶地址) 内部线圈 mm o o o - m 3 7 72 5 66 0 h 一9 f h ( 偶地址) 定时器线圈 tt 0 0 0 一t 0 7 76 4a o h a 7 h 计数器线圈 cc 0 0 0 一c 0 7 76 4a 8 h b 7 h ( 偶地址) 特殊线圈 s ps p 0 0 3 0 0 64c o h 注：当用户所用输入或输出端子点数小于6 4 时，某些输入，输出线圈可作 内部线圈用。 1 ) 输入线圈 输入线圈也称输入映象区，是以字节为单位的寄存器。它的每一 位对应于一个开关量接点。在每个扫描周期的开始，p l c 依次对各个 输入端子状态进行采样，并把采样的结果送入输入映象区。 2 ) 输出线圈 输出线圈也称输出映象区，是以字节为单位的寄存器。它的每一 2 第l 章p l c 的工作原理及内存空间分配 位对应于一个输出端子。p l c 在执行用户程序的过程中，把运算结果 送到输出映象区。在每个扫描周期的结尾，将输出映象区中的输出信 号送到输出锁存器，从而改变输出端子的状态。 3 ) 内部线圈 内部线圈的作用相当于继电器电路中的中间继电器，用于存储中 间状态或控制信息。 4 ) 定时器线圈和计数器线圈 定时器线圈和计数器线圈用于存储定时器和计数器的状态值。当 逻辑规定的条件满足( 当前值预置值) 时，定时器线圈或计数器线 圈的状态为“1 ”，反之为0 。 5 ) 特殊线圈 特殊线圈是其用途已被规定了的内部继电器。在程序中只作为接 点使用。本系统中有四个特殊线圈，s p 0 0 3 - - s p 0 0 6 。 在p l c 指令中，功能存储器用作指令的操作数，一般格式为： 指令助记符 x x x 其中：口一一功能存储器代号； x x x 一一为三位八进制数。其中头两位代表功能存储器的名义 字节地址( m y a d r ) ，末位( 0 7 ) 代表线圈在内存实 际字节中所在的位( k ) 。 如指令l d1 0 4 5 是将第3 8 个输入线圈的状态值( 0 或1 ) 送入操 作器。其中功能存储器的名义字节地址0 4 ( 即m y a d r = 0 4 ) 代表输入 映象区的第5 字节，线圈实际所在的位5 ( 即k = 5 ) 代表输入存储器 第5 字节的第6 位( 见图1 2 ) 一 一苎! 整坚艘三堡里堡整堕童皇囹坌墼 765 432 10 6 46 36 26 16 05 9 5 85 7 5 65 55 45 35 25 l 5 04 9 4 84 7 4 64 54 44 3 4 24 l 4 03 93 83 73 63 5 3 43 3 3 23 13 02 92 82 7 2 62 5 2 42 32 22 l2 01 9 1 81 7 1 61 51 41 31 2l l 1 09 876543 21 强i 2 输天酸象嚣弱字苇与位 绽凝孛，采蘑下嚣公式诗篱功戆移筵器懿实骣字装越趱： e l = h e x ( b a s e a d r ( x ) + v a l ( m y a d r ) 水2 ) ( x = l - 6 ，x 4 ) e l = h e x ( b a s e a d r ( x + ￥矗l ( m y a d r ) ) ( x = 4 ) ( 1 1 ) l 。2 ) 式中：n 功能存储器的实骣字节地蛙： b a s e a d r ( x ) 功能存储器的基地址； m y a d r 功能存储器的名义字节地址； v a l a ( 攀j 毪g 。1 ) = l 辩，窀雷】指 定的定时器t x x x 复位，否则查看定时逻辑行，当此行逻辑条件成立，即 ( ms t a c k o ) a ( 醪j 鼹0 ) = l 霹，它嚣3 指定戆定瓣器t x x x 遴邀，龛谗诗酵， 如条件不成立，则不能计时，但也不簸位。 a 1 擞和耵帆指令梯形圈逻辑 一定时逻辑行卜 t x x 盖 i 复位逻辑行卜一 预蹩值 b a t 撇和a h t i 峨指令梯烨图逻辑 銎2 。1 8 定畦辫撞令梯形灌逻辑 定射器鲍诗对i 卡数攮 乍是箍l m s 定对中断服务程序( 见3 。2 节) 实现的。 该程序段对用户程序中所使用的且线圈通电的定时器的累积计数存储器避行增 1 操作。由于定时器共有6 4 个飘用户使用4 种筑时器指令所指寇的定时器t x x x 是随梳酶，为诧本设计使蘑了个定瞬器个数存储器t c n rl ，t c n t2 ，t c n t3 ， t c n t4 分别存放用户程序中4 类指令t m r ，a n r ，删t 和h h 3 w l r 所使用的定 爵器t x x x 憨令数。患编译稷痔壤攥震户程序爨动绫谤，蒡填入4 令定瓣黔 数存储器中。注意用户程序中，某定时器t x x x 只能用于一种定时器指令，且 只能爝一次。熙乡 累热定时器指定占用题个相邻定义号熟定时嚣，如指令a t m r t 0 0 1k 1 0 0 2 0 0 ；占用定时器t 0 0 1 和t 0 0 2 ，那么定时器t 0 0 2 不得为萁它定时 器指令使用。 为了组织定时器累积计数器的增l 操作循环，本设计建立了个t m r _ t b i 表。该表分残4 段，其番段数整遗址氮字苇分别存放在4 个字节存姥器瓢一鹞乙， t zt b l ，t 3t b l ，t 4 j r b 【，中，各段的河地址高字节为字存储器t m rt b l 。中的 第2 章p l c 指令鸹8 0 9 8 汇编谣言编程 藏位，注意： ( t 1 _ t b l ) 铷0 h ： ( t 2 _ t b l ) = ( t i _ t b l ) + ( t c n t1 ) ； ( t 3 _ t b l ) = ( t 置瞄l ) + ( t c n t _ 2 ) ； ( t 4 _ t b l ) = ( t 3 _ t b l ) + ( t c n t _ 3 ) 。 魏表各段分裂存放蔫户程廖中4 奖定靖器指令t d r ，a t d r ， 疆豫，矗 f 】蕊 指定的定时器t x x x 的累积计数存储器地址( 低字节) 。填写工作是在每祭定时 嚣指令对痖懿汇编程痔段中完成豹。娄定越器线圈递毫g # 壤写圭| 魏蛙。否爨l 填入 # f f h 。 下翅通过具体的甩户程序( 见图2 1 9 ) ，来说明t m r _ t b 袭及相关镣存器 盼工作情况。闰2 1 9 所示的用户程序的作用怒每隔1 秒中，依次点亮巍，黄， 蓝，绿四盏灯泡。当然，能够姑成此功能的用户程序不只一种，还有更简单的， 这墨仪为了谈明定霹嚣静工 睾情猿。戴毅焉户藕序静瓣谮每表麓： 图2 1 9 用户程序梯形图 红灯 黄灯 蓝灯 辕灯 壬0 t 0 0 0k 1 0 i o t 0 0 lk 2 0 1 0 0 2k 3 0 0 1 0 i l t 0 0 3k 4 0 本例假设用户程序存放酋地址为5 0 0 0 1 t 。衮2 一1 2 示根据式2 4 - ；j 1 箨得到 虬 呈 秘购蕊m龟；罄 强鲫删酗凹鲫 捞懈d偬m嘲擒栅 璧壁匿匣一专一 。卜。卜。卜。卜。卜_l键卜姑卜卜 一h h hhhhhhh 第2 章p l c 指令盼8 0 9 8 汇编语言编稔 戆巍个定霹器累积嚣数存薅嚣建蛙。裘2 1 3 零鼹户参数熬翼搭数篷。黧2 。2 0 示运行时1 撇1 圈，表的存放内容。 裘2 - 1 2 艘个定时嚣鬃积计数存储器地址 定时器指令累积计数存储器地址 鹃承粼k i o5 锄。h t 撩t 0 0 1k 2 05 0 4 2 h 黼t 0 0 2k 3 0 05 。哇镬 糯t 0 0 3k 4 05 0 4 6 h 袭争1 3 圈教1 5 中寇时器指令所需的用户参数 l 蟹存器名称存放内枣 寄存器名称存放内铎 t c n t _ i 0 2 ht lt b lo 僦 it c m _ 2 0 1 ht 2t b l0 2 i lt c n t _ 3 0 1 1 3l 琵 0 3 醚 l t c n t40 0 量1 t 4t b l0 3 h t 擞_ t b l 表嚣遗址5 。 l 一 0 2 h 一 5 0 0 3 | 一 5 0 0 4 h 一 4 0 疆 4 2 h 4 6 h 4 4 1 4 f h t 注：1 假设l d1 0 闭合，l d1 1 断开，即四个定时器念音b 工作。 2 。t n i r _ t b l 表篥1 段跌5 0 0 0 1 1 攀元嚣热，第2 段簸5 0 0 2 零元开始，籀3 ，4 嚣瑗搀瓿 5 0 0 3 1 1 单元开始( 阻为用户程序中没有用到a h t 眦指令，所以第3 ，4 段重藏) 。 3 第1 段的曹地址总是等于t rt b l 袁躲营地址。 图2 2 0 圈2 1 9 程序运行时t 雠t b l 表存放的内释 定辩器线漤逶毫，辩痤酶定时素积计鼗存锗器每隔l o o m s 袋l 。m s 计数佼 增l 。当增黧最大值9 9 9 9 ( t 嫩，h t 嫩) 或9 9 9 9 9 9 9 9 ( a t 慨，a 岍垛) 时增【 一 一 整! 至 鳖塑全墼塑! ! 篓熊蓬童塑篓 箨壹，著不滋氆。 定时器线圈通电后，当当前值预置值时，延时按点接通，即( e 1 。k ) = 1 。 此掇 乍在每条定时器指令对成的汇编程序段中完或。 每条定时器指令的功能鬻由3 个程序段( 主程序，子程序幂珏1 m s 定时中断 服务程序) 麸同完成。编译定时器指令只是翻译主程序段。表2 1 4 给出4 条 定辩器指令辩应的汇编主稷窿菠。 表2 1 4 定慰器| 黔瓣痤的范绽圭i f 莽羧 t 慷，m 懈指令瓶编主程序段，m 眠，a m 帔指令汇编主程序段 j ：l dr 墨t 掘r _ t b l 【。jn ：l 9 黻。t 撒_ t b l o l d b r x 。t s j a l o “) l d b r 聱程t b l o 】o a 叻b r 】l # a o t i v e l l ? 4 tx - io )a 脱) b r ) 己黼o t i v e t c n tx 一1 “ l d bf l g t ra d d sl d 6f l t t t ra d d s 璩激 羽疆嬲l do x , 燃a d d s u 】b b c 0 d 。g b c o d ( 吣 l d b籼# b c o d ( k ) l d 好l l # i 澉l d 船u # l ml l 整。l ，s 疆秘剥瑚援璩k 戳麓匠h i a i ，s u ba ，【i h n 帔 注：( i ) 菪是懒揍令，l 如句不要。 f( 2 ) 诧訇a e t i v e t ( 2 f fx 秀丽产程序中第n 个出璐懿硎r 或辩拣摇令。编译辩修改照 【 参数。若是t m r 指令，为a c t i v e t c n t 一1 ，若是h r m r 指令，为a c t i v e t c n t3 。 l( 3 ) 若是斛姐指令，t x _ t b l 为t 2 _ t b l ；糟是a m 撇指令，啦t b l 为t 4 j 8 l 。 ( 4 ) 诧匈a c t i v e t c 黼x 为焉户程序中第n 十出璃的a 强取鼗a 疆臻i 指令。编译对话蔽 此参数。若是a t 懈指令，为a c t i v e t c n t _ 2 ，若是a h t m r 指令为a c t i v e t c n t _ 4 。 主程序的主要功月j 是提供子程序运行中所需的参数。图2 2 0 给斑定时嚣 指令豹子程序框图，对应的予程序见附录b 。 第2 章p l c 指令的8 0 9 8 汇编语言编程 a t i i r , h t 胍指鸯j 【缟子程序褫程框圈 b a t e , a t i t i i r 指母汇编子程序佩程框图 图2 2 0 定时器指令汇编子程序流程框图 2 2 3 定时器，计数器复位指令i 磊t t c r s t t c 用于给指定的定时器或计数器复位。它的梯形图逻辑见图2 2 1 。 2 9 第2 章p l c 指令的8 0 9 8 汇编语言编程 注：“口”可以是t 或c 。 图2 2 1r s t t c 指令梯形图逻辑 r s t t c 指令对应的汇编程序段为： j 卫； 3 b c ms t a c k 0 ，】舅1 j b cw _ r e g ，0 ，j _ n 1 籼e l ，# n b c o d ( k ) s t r o x _ c e g j 1 ： 程序中x _ c e g 为累积计数存储器，它或为tc e g ( 定时器复位) 或为c 晓g ( 计 数器复位) 2 2 4 带设定值的t c 接点指令 带设定值的t c 接点指令是特殊的接点指令，共有6 条( 见表2 - 1 6 ) 。此 类指令扩展了定时器和计数器的功能。 表2 1 6 带设定值的t c 接点指令 操作数 助记符 操作数i操作数2 l dt x x x 或c x x x k x x x x i 。i ) nt x x x 或c x x xk x x x x a n dt x x x 或c x x x k x x x x a n d nt x x x 或c x x x k x x x x o rt x x x 或c x x x k x x x x o 孙t x x x 或c x x x k x x x x 带设定值的t c 接点指令均是两操作数指令。操作数l 是用户程序中用到 的定时器或计数器，操作数2 是设定值。带设定值的t c 接点指令通过比较指 令指定的引数器( 或定时器) 的累积计数器中的当前值与设定值，并根据不同 指令的执行逻辑，修改操作器的内容。表2 一1 7 给出各指令的执行逻辑及相应 第2 章p l c 指令的8 0 9 8 汇编语言编程 的汇编程序段。 表2 1 7 带设定值的 r c 接点指令执行逻辑及对应的汇编程序段 助记符执行逻辑汇编程序段 jn ：a n d bw _ r e c - , # n b c 0 0 ( i ) 当( t c e g ) ( k p l ) 时 l d r x # xc e g 或当( c c e g ) ( k r l ) 时 l d鼹l # 脉 l o ( 盱) 陬l ， r x wr e g ( i ) - i 否则wr e g ( i ) = 0 j hj _ n l o r b w _ r e g ，# b c o d ( i ) j _ n 1 ： j n ：a n d bn r b g * f n b c o d ( i ) 当( t c e g ) ( i 毗) 时 l dr x * * xc e g 或当( c _ c e g ) ( 4 )不允许 ( 2 ) ( 4 )不允许 ( 1 ) = 7 ，( 3 ) ：o ( 2 ) ( 4 )右移 3 ) l ( 4 ) 一( 2 ) 4 ，即移位指令最多能进行双字移位。 移位指令的梯形图逻辑如图2 2 3 所示。 图2 2 3 移位指令梯形图逻辑 上图中，数据行，时钟行和复位行均是任意继电器逻辑。数据行运行的逻 辑结果为：( m _ s t a c k 0 ) 八( w p , e g 0 ) ；时钟行运行的逻辑结果为：( ms t a c k 0 ) 八阿r e g 1 ) ：复位行运行的逻辑结果为：( m _ s t c k 0 ) 八( w _ r e g 2 ) 。 s r 指令的执行逻辑是：1 ) 如复位行逻辑条件满足，即( m _ s t a c k 0 ) 八 ( wp e g 2 ) = 1 ，则s r 指令复位s r 指令所用的内部线圈o f f 。2 ) 如复位行逻 辑条件不成立，只有时钟行此次的扫描运行结果为1 ，而前次的扫描运行结果 为0 时，移位寄存器复位。对于左移位，所用内部线圈左移一位，最低位填入 数据行扫描运行结果，最高位丢失；对于右移位，所用内部线圈右移一位，最 高位填入数据行扫描运行结果，最低位丢失。 为y l e , 录前次时钟行扫描值，采用与p d 指令相同的设计，即e h _ e l 十0 l h 。 对于左移位，e l 为低位线圈片内字节单元地址，前次扫描值存放在e t t 0 中； 对于右移位，e l 为高位线圈片内字节单元地址，前次扫描值存放在e h 7 中。 附录c 给出移位寄存器指令的汇编程序段，其结构与前述的计数器指令的 汇编程序段相似，由主程序段和相应的子程序段构成。主程序段用于提供必要 第2 章p l c 指令的8 0 9 8 汇编语言编程 的参数，编译程序根据用户的移位寄存器指