嵌入式远程测控终端与PLC通信的研究

近年来，嵌入式系统以其体积小、成本低和功能专一等特点在工控领域得到越来越广泛的应用。本文实现了嵌入式远程测控终端与西门子S7-200 PLC的通信，并基于此完成了对PLC数据的采集。通过嵌入式系统的扩展网口将PLC与Internet相联，突破了串行通信速率的限制，节省了采用高端 PLC 实现网络测控的经费投入。在从PLC采集数据功能的实现过程中，避开了以往使用PLC 自由端口通信需要改写PLC梯形图的问题，而直接利用PLC厂家制定的通信协议来实现数据交换，无需对PLC编程，方法简单可靠，为今后实现更多品牌 PLC与上位机通信开辟了新的途径。同时，基于嵌入式操作系统μClinux及其多线程机制实现了一套中央空调远程测控终端系统。

1、系统总体设计

1.1 硬件构成

系 统采用1片三星公司推出的基于ARM7TDMI精简指令系统的32位高速处理器S3C44B0X作为嵌入式微处理器，扩展了一个RS485串口、两个 RS232串口和一个以太网口。如图1所示，嵌入式微处理器通过扩展的RS485串口与西门子S7-200 PLC进行通信，一个RS232口通过调制解调器连接到公众电话网，实现串行通信，扩展的以太网口则将整个嵌入式系统接入Internet，拓展了PLC 的通信方式。考虑到与现存本地监控系统的兼容，在S7-200的串口上可同时并接西门子的文本显示器TD200，三者组成一个PPI令牌环网络。

图1 系统结构和连接示意图

1.2 软件总体设计

本 系统采用μClinux嵌入式操作系统作为应用软件的运行平台。μClinux系统是近年迅速发展起来的一种专门用于微控制领域的嵌入式操作系统，内核要 比原Linux 2．0内核小得多(内核小于512KB，内核加上工具小于900KB)，但保留了Linux操作系统的主要优点：稳定性，优异的网络能力以及优秀的文件系 统支持，同时提供通用的Linux AP1支持完整的TCP／IP协议栈和大量其它的网络协议。

中央空调远程测控终端的功能主要是动态地采 集中央空调的现场运行参数并将这些参数实时地发送给位于远程的监控中心，并且具备提供历史数据、故障报警和某些控制功能。为了提高系统的运行效率， 利用μClinux对多线程机制的支持，将远程终端的软件系统分为四个并发的线程实现。分别为：数据采集线程、数据存储线程、数据发送线程和故障报警线 程。软件系统结构如图2所示。

图2 软件系统总体框架

为了实现各个线程之间的通信，设置一个数组作为共享区域。其中，数据采集线程主要是嵌入式测控终端与PLC的通信过程，所有的数据都从PLC的寄存 器中读取，并存储在测控终端的内存共享区域中。在本系统中，根据所监控的中央空调的不同型号，由数据字典文件读入所需采集的参数地址，采用循环方式将各个 参数的实时数值从PLC中采集，再一并存人数据共享区。数据存储线程在本地创建文件，并将数据共享区中的参数值每隔一定时间保存在FLASH中，使之作为 分析一段时间内中央空调运行状况的历史数据，为实现专家诊断系统提供数据源。基于μClinux对TCP／IP协议栈的完整封装，实时数据发送和故障报警 线程从共享存储区中读取数据后，利用socket通信机制，将实时数据和故障报警信息从本地发送到远程的主控中心，实现在不同地点对中央空调运行状况的实 时监测。

由于西门子S7—200系列PLC通常配合西门子TD200文本显示器一同使用以构成本地监控，与本系统共用一条总线时冲突不可避 免。本系统在数据采集的基础上根据PPI协议和PROFIBUS规定的令牌环协议，实现了主站之间的令牌传递功能，保证了令牌环网络的正常运转，使 TD200与本系统组成的双主站网络通过对令牌的占有来实现各自的通信功能，互不干扰。

2、软件实现

2.1 通信方式和通信协议的选择

S7—200 CPU支持多种通信协议，为用户实现多种不同的网络配置提供了便利，包括：点对点(Point-to-Point)接口协议(PPI)、多点 (Multi～Point)接El协议(MP1)和Profibus协议。这些协议是非同步的字符协议，有1位起始位、8位数据位、1位偶校验位和1位停 止位。通信结构依赖于特定的起始字符和停止字符、源和目的站地址、报文长度和数据校验和。

目前通常采用自由口通信模式控制S7—200 CPU的通讯端El实现上下位机通信。用户可以在自由El模式下使用自定义的通信协议来实现PLC与多种类型智能设备的通信。但由于需要对PLC现有程序 进行修改，对于不熟悉PLC编程语言并要在短时间内实现对西门子PLC 的监控功能的软件开发者来说，这种修改存在一定的风险。

本系统采用PPI协议作为嵌入式系统与S7—200 CPU之间的通信协议，由于C语言的高效性，采用C语言进行编程实现通信，无需对PLC本身的程序进行修改，保证了工业控制系统的安全和稳定。

2.2 PPI协议数据格式

PPI 协议是一种主一从通信协议：通信的设备分为主站和从站。PLC默认为从站，嵌入式系统和TD200文本显示器作为主站。主站设备发送请求到从站设备，从站 设备响应，从站不主动发起通信，只是等待主站的数据请求命令和对该命令作出响应。PPI协议并不限制与任意一个从站通信的主站数量，但是在一个网络中，主 站的个数不能超过32。协议的数据格式如图3所示，图3(a)是PPI主站发送的命令帧和从站发送的数据帧格式，图3(b)是PPI主站发送给从站的确认 帧格式。

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