CN102708081A - 用户可编程的plc串口通讯扩展模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，采用裸机构架而不使用嵌入式操作系统，提供用户编程开发所需的串口读写驱动接口、系统数据区读写接口函数、软定时器操作函数等库函数，用户完成通讯协议应用程序的开发、调试、下载等工作，然后用户通过以太网口进行模块配置、配置文件下载、串口通讯调试等，同时以太网可以提供Modbus TCP通讯或其他通讯协议的通讯功能。由于软件层不使用嵌入式操作系统，减少了操作系统的相关费用和开发维护等工作，同时对于核心CPU和存储系统的性能要求降低，所以软硬件开发的难度和成本上都大大降低。

Description

用户可编程的PLC串口通讯扩展模块

技术领域

本发明涉及一种PLC串口通讯扩展模块，尤其涉及一种用户可编程的PLC串口通讯扩展模块。

背景技术

串行通讯由于发展较早、成熟可靠，具有极强的适用性和广泛的应用范围。在PLC系统中，由于现场串口设备或仪表数量较多，PLC需要进行串口的扩展；而且多串口同时通讯，运行的通讯规约也各不相同，需要支持多种串口通讯规约同时运行。为了多个串口同时运行不同的通讯规约，往往采用嵌入式操作系统的软件构架，每个规约的驱动程序作为一个进程或线程，分别完成各自的通讯工作；常使用的操作系统包括Linux、vxWorks、uCos等，后两者在商业使用时需要购买，增加了产品的软件成本，而Linux是开源的操作系统，但是由于缺乏完备的技术支持在使用成本和维护成本上开销较高，同时Linux的实时性相对较差；另外Linux和vxWorks对于CPU芯片的速度、存储系统的速度容量等要求较高，导致硬件成本上升。同时随着以太网通讯技术的发展、应用成本降低等原因，越来越多的设备开始支持以太网通讯功能。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于设计一种低成本用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，可以在保持用户可编程、可调试的原则下，避免使用嵌入式操作系统，降低硬件成本、软件开发维护成本。由于采用裸机运行，取消了操作系统部分的软件对CPU的占有和使用，所以在对CPU芯片及其存储系统的性能要求大大降低，使得硬件成本降低。另一方面为了保持用户编程开发和程序调试的适用性和方便性，为用户提供封装后的硬件驱动功能模块和开发调试库函数。最后本串口通讯扩展模块采用以太网口复用方案，可以提供Modbus TCP通讯或其他通讯协议的通讯功能。

技术方案

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，不使用嵌入式操作系统而采用裸机构架，提供用户编程开发所需的串口读写驱动接口、数据传入到PLC的CPU模块的接口函数、软定时器操作函数等库函数，用户基于这些接口函数可以自主编程，完成通讯协议应用程序的开发和调试等工作，用户提供基于以太网口的配置文件下载、串口通讯调试等功能，调试过的用户固件程序经过程序下载串口或以太网口下载到串口通讯模块中，同时以太网可以提供Modbus TCP通讯或其他、通讯协议的通讯功能；

本PLC串口通讯扩展模块包括总线接口单元、用户固件下载单元、系统数据区、系统函数库、配置监视单元、模块配置文件和用户编写的串口通讯单元。固件下载单元完成用户代码的下载工作；总线接口单元负责将串口模块接入到PLC内部通讯总线；系统数据区用于存储串口通讯协议参数、串口通讯数据、串口调试参数和数据等设备运行信息；系统函数库提供用户串口读写操作接口函数、系统数据区的数据读写函数等；配置监视单元负责接收配置文件、提供串口数据运行监视功能等；模块配置文件用于保存串口参数配置文件、协议命令和参数配置文件等配置文件；用户编写的串口通讯单元包括若干个串口通讯协议函数，完成串口模块与外围串口设备的通讯工作，然后将数据写入到系统数据存储区中；

总线接口单元负责通过PLC内部通讯总线接收来自PLC的CPU模块的配置信息和下行输出数据，同时将串口收到的数据送入到PLC的CPU模块中；

模块配置文件保存在非易失存储器中，在关机和掉电情况下文件不丢失；模块启动时读取配置文件解析后写入到串口数据区中，根据系统的配置文件信息自动运行串口通讯协议对应的串口通讯协议函数；

系统函数库提供用户串口读写操作接口函数、系统数据区的数据读写函数等；用户编写的串口通讯单元使用函数库提供的接口函数，完成串口模块与外围串口设备的通讯工作，然后将数据写入到系统数据区中，这时串口通讯工作完成，总线接口单元自动将系统数据区中的数据上送至PLC的CPU模块中；

配置监视单元接收来自安装在上位机的配置调试软件的配置文件，经过验证后将正确的配置文件保存到非易失存储器中；配置监视单元根据接收调试命令从系统数据区中取出对应的串口通讯数据、通讯报文、调试信息中的一种或几种上送至安装在上位机的配置调试软件中，提供用户监视调试的功能；

以太网既可以做为用户串口通讯程序的配置调试接口，也可以提供ModbusTCP通讯或其他通讯协议的通讯功能。

有益效果

通过本发明，在保证用户可以开发调试串口通讯程序的前提下，降低了串口扩展模块的软硬件成本，提高了PLC的竞争力。

附图说明

图1是用户可编程的PLC串口模块系统图

图2是用户可编程的PLC串口模块功能框图

图3是用户可编程的PLC串口模块内部数据流图：

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步说明如下：

本可编程串口通讯模块与现场智能设备交互数据后，通过PLC系统内部总线将数据送到PLC的CPU模块中。本发明包括：总线接口单元、用户固件下载单元、系统数据区、系统函数库、配置监视单元、模块配置文件和用户编写的串口通讯单元。

(1)总线接口单元作为串口模块与PLC的CPU模块交互的接口。解析来自CPU模块的配置信文和下行数据信文，然后将配置信文写入系统数据区中的配置区，下行数据写入到系统数据区的输出数据区；同时将上行数据从输入数据区中取出按照总线报文格式整理后，上送值PLC的CPU模块；串口模块自身的工作状态包含在上行数据报文中上送；

(2)用户固件下载单元用于下载用户编译后的可执行程序到FLASH中；

(3)系统数据区分为系统配置区、输入数据区、输出数据区、调试信息区、协议配置区、运行状态区；系统配置区通过解析配置文件和获取来自PLC的CPU模块的配置信文，最终形成系统配置区的全部内容，包括系统串口配置参数、输入输出区的大小、IP地址、各个接口的IO点数及其在数据区中的分布等；输入数据区和输出数据区作为数据缓冲区用于暂存输入输出数据，这些数据用于数据通讯和数据监视；调试信息区包括串口收发数据报文和用户调试信息，提供用户监测串口数据收发和输出用户定义的调试信息的缓冲存储区；协议配置区是通过解析配置文件中的协议配置文件和协议命令文件得来的，其中包括了串口与协议对应关系表和通讯协议命令等内容；运行状态区表明串口和协议的运行状态和运行参数等，通过这些可以获取运行情况，做出相应的处理或告警；

(4)系统函数库主要包含串口驱动函数集、用户软定时器函数集、输出输出数据区读写操作数据集等三部分，为用户完成串口通讯协议的开发提供接口和支持；

(5)配置监视单元通过以太网与配置调试软件通讯，完成配置文件的上载/下载、串口通讯调试等工作；

(6)模块配置文件来自于配置调试软件，经过配置调试软件的检查校验，下载到串口模块后存储在FLASH或者EEROM中，确保掉电不丢失；在上电时读取、校验、解析后，形成系统数据区中的系统配置区的部分内容；

(7)用户编写的串口通讯单元是用户开发的串口驱动可执行程序及其运行参数状态的集合，完成依据串口通讯工作；

(8)以太网通讯模块可以提供Modbus TCP通讯或其他通讯协议的通讯功能。

如图1和2所示可编程串口通讯模块位作为PLC系统的扩展模块，接入到PLC内部总线上，完成与PLC的CPU模块之间的数据交互。用户使用系统函数库提供的对硬件访问接口函数完成串口通讯程序的开发，接着将交叉编译好的用户固件下载到可编程串口模块中，然后重新启动模块，使用配置软件完成串口模块的通讯协议、串口参数、IO点数等配置，配置完成后将配置文件下载到可编程串口模块中，最后再次重启模块即可工作。在串口通讯单元完成与串口设备进行通讯的同时，可以使用配置监视单元通过以太网接口进行串口通讯状态和数据值的监视，另外以太网通讯模块同时可以进行ModbusTCP或者其他协议的通讯工作。

如图3所示系统启动初始化时对配置文件进行解析，将包括串口运行参数、数据点个数地址、协议与驱动的对应关系表、串口与协议的对应关系表等配置信息写入到系统配置区和协议配置区；启动后从PLC内部总线上获取来自PLC的CPU模块的运行配置信息，包括缓冲区在PLC的CPU模块中的大小和地址等，解析后写入到系统配置区；CPU模块中缓冲区的数据通过总线接口单元与数据输入区和数据输出区进行数据交换；配置完成后，依据串口与协议的对应关系表运行对应的串口驱动程序，与外围串口设备进行通讯，用户程序从从数据输出区中获取数据送入到串口设备，同时将来自串口设备的数据写入到数据输入区中；运行过程中的调试信息和状态参数等分别保存在调试信息区和运行状态区中，并实时刷新，提供给配置监视单元使用。

Claims (4)

1.一种用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，本模块与现场智能设备交互数据后，通过PLC内部总线将数据送到PLC CPU模块中；其特征是本PLC串口通讯扩展模块采用裸机构架，包括总线接口单元、用户固件下载单元、系统数据区、系统函数库、配置监视单元、模块配置文件区、用户编写的串口通讯单元、以太网通讯单元；

用户固件下载单元完成用户代码的下载工作；

总线接口单元将本PLC串口通讯扩展模块接入到PLC内部通讯总线；

系统数据区存储设备运行信息；

系统函数库提供用户串口读写操作接口函数、系统数据区的数据读写函数；

配置监视单元接收配置文件、提供串口数据、运行监视功能；

模块配置文件区保存配置文件；

用户编写的串口通讯单元包括若干个串口通讯协议函数，完成本PLC串口通讯扩展模块与外围串口设备的通讯工作，然后将数据写入到系统数据区中；

以太网通信单元作为为用户串口通讯程序的配置调试接口，或者提供Modbus TCP通讯或其他通讯协议的通讯功能。

2.根据权利要求1所述的用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，其特征是所述设备运行信息包括串口通讯协议参数、串口通讯数据、串口调试参数和数据。

3.根据权利要求1所述的用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，其特征是所述配置文件包括串口参数配置文件、协议命令和参数配置文件。

4.根据权利要求1所述的用户可编程的PLC串口通讯扩展模块，其特征是总线接口单元通过PLC内部通讯总线接收来自PLC的CPU模块的配置信息和下行输出数据，同时将本PLC串口通讯扩展模块收到的数据送入到PLC的CPU模块中；

配置监视单元接收来自上位机的配置文件，然后配置文件保存到模块配置文 件区；配置监视单元根据接收的来自上位机的调试命令从系统数据区中取出对应的串口通讯数据、通讯报文、调试信息中的一种或几种上传至上位机中，提供给用户监视调试；

模块配置文件区设在非易失存储器中，本PLC串口通讯扩展模块启动时，读取模块配置文件区内的配置文件，解析后存储，然后根据配置文件的信息运行串口通讯协议对应的串口通讯协议函数；

用户编写的串口通讯单元使用用户串口读写操作接口函数，完成本PLC串口通讯扩展模块与外围串口设备的通讯工作；然后把从外围串口设备接收的数据写入到系统数据区中，这时串口通讯工作完成，总线接口单元将系统数据区中的数据上送至PLC的CPU模块中；系统数据区中的数据的读写均由系统数据区的数据读写函数完成。 

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