用PLC系統兩線連接型數顯儀表的設計
可編程控制器簡稱PLC（Programmable Logic Controller），具有編程簡單、可靠性高、通用性強和使用方便等特點，廣泛應用于工業控制中的各類生產過程［1》。目前的PLC系統多用指示燈來顯示生產過程或設備的狀態信號，或借助于專用的人機界面（HMI）、工業PC來顯示過程變量或設置系統參數。HMI和IPC不僅增加了PLC系統的成本，而且無法適應高溫、高濕熱、多粉塵的工作環境。基于LED的數顯儀表具有環境適應性強、顯示直觀、醒目等優點，可以滿足某些工業現場的特殊顯示需求。然而，如果使用PLC系統的I/O直接驅動數碼管進行顯示，則需要占用大量的PLC系統I/O資源。本文采用單片機和程序控制技術，通過特定的傳輸時序，只需使用PLC系統的2個I/O點即可實現其參數顯示。 1 硬件設計
以STC89C51為核心實現的PLC系統兩線連接型數顯儀表的硬件組成如圖1所示。整個硬件系統主要由STC89C51單片機、輸入接口、程序下載接口、數碼管顯示驅動電路、按鍵輸入（可選）和報警輸出（可選）等部分組成。STC89C51和標準80C51保持硬件結構和指令系統兼容，提高了時鐘速率，擴充了在系統編程（ISP）、在應用編程（IAP）、電源欠壓檢測與復位、看門狗復位等功能，其I/O口經過了特殊的設計，使其在工業控制環境中具有極高的可靠性。
1.1 PLC系統輸入接口
PLC系統通過兩個輸出點將顯示數據按照一定的時序傳給數顯儀表。PLC系統一般有繼電器出、可控硅輸出、晶體管輸出和24V直流電壓輸出等多種形式可供選擇，一般使用其晶體管輸出或24V輸出形式經過相應的轉換電路連接數顯儀表。為了適應兩種輸出形式，采用光電耦合器統一將PLC系統的輸出信號轉換為TTL電平信號。如果PLC系統的輸出形式為24VDC，例如西門子的S7系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側的連接如圖2所示。如果PLC系統的輸出為晶體管集電極開路或漏極開路輸出，如三菱的FX系列PLC，則PLC輸出與光電耦合器輸入側的連接如圖3所示。無論采用何種連接方式，轉換后進入STC89C51單片機的信號邏輯都與PLC系統的輸出邏輯保持一致。使用光電耦合器實現信號轉換，有利于提高系統的抗干擾能力，因為干擾信號即使具有較高的電壓幅值，但其能量相對較小，形成的微弱電流一般不足以使光電耦合器導通。轉換后的兩路信號分別作為數據線和時鐘線，連接到單片機的兩個外中斷輸入引腳，便于使用中斷方式傳輸顯示數據。
1.2 程序下載接口
借助于ISP編程功能，可以通過RS-232C接口將程序代碼從計算機下載到單片機內部的Flash中。程序下載接口一般設計為標準的RS-232接口，使用一片MAX232轉換芯片即可實現。
1.3 數碼管驅動電路
為了確保數碼管的顯示亮度，使用兩片74HC245實現數碼管的驅動。其中一片74HC245用于驅動4位共陰極數碼管的段碼，其輸入和單片機的P0口連接，輸出則經限流電阻限流后與4位數碼管的8個段碼引腳連接。另一片74HC245驅動4位數碼管的位碼，其輸入和單片機的P1.0～P1.3連接，輸出則分別和4位數碼管的公共端連接。
2 傳輸時序
1臺數顯儀表和PLC實現數據傳輸時需占用PLC的2個輸出點，分別用作數據線和時鐘線。由于顯示數據的傳輸是串行的，因此必須設計相應的傳輸時序。構建雙方的傳輸時序時必須充分考慮PLC系統的工作原理、輸出特性及其差異以及傳輸過程的可靠性等問題。綜合考慮這些因素后所設計的傳輸時序如圖4所示。傳輸1次顯示數據總共需要21個時鐘周期，其中3個時鐘用于同步信號，16個時鐘用于傳輸顯示數據的4位BCD碼或特定的提示字符，2個時鐘用于傳輸2位表示小數點顯示位置的信息。顯示數據和小數點位置信息的低位在前，高位在后。例如，圖4表示傳輸的顯示數據為8951，小數點位置信息為10，表示小數點在十位之后，因此*終顯示數據為895.1。
