第１期 微处理机 Ｎｏ．１ ２０１２年２月 ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳ０ＲＳ Ｆｅｂ．，２０１２ 基于ＣＡＮ总线的多ＰＬＣ网络通信方案研究 薛青娜 （西安铁路职业技术学院，西安７１００１４） 摘要：目前，很多小型ＰＬＣ并没有集成ＣＡＮ通信接口，这样就妨碍了通信模块的连接。提 出了一种基于ＣＡＮ总线的ＰＬＣ网络通信方案，该方案通过将各厂家不同的通信协议转化为统一 的ＣＡＮ网络通信，从而实现了较好的互相连通性以及统一的上位机监控能力。 关键词：ＰＬＣ通信；ＣＡＮ总线；现场总线 ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１２．０１．００９ 中图分类号：ＴＰ３９３．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—２２７９（２０１２）０１—００２７—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＭＵＩｔｉ ＰＬＣ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ Ｂｕｓ ＸＵＥ Ｑｉｎｇ—ｎａ （Ｘｉ ｔｍ ｒａｉｌｗａｙ ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｏｌｌｅｇｅ。Ｘｉ ａｎ ７１００１４．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ＰＬＣ ｉｓ ｎｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＳＯ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｍｐｅｒｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＰＬＣ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ＰＬＣ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｙ ｅｑｕｉｐｐｉｎｇ ＲＳ２３２——ＣＡＮ ｇａｔｅｗａｙｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ＰＣ ａｎｄ ｅａｃｈ ＰＬＣ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＣＡＮ ｂｕｓ；Ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ １ 引 言 ４０ｍ），非常适合用于组建ＰＬＣ通信网络 ］。 提出了一种基于ＣＡＮ总线的ＰＬＣ网络方案， 目前，＿出于成本的考虑，大部分的小型ＰＬＣ并 能够对多台联网的ＰＬＣ实现远程配置、数据通信， 没有集成ＣＡＮ通信接口，部分大型ＰＬＣ集成有 并能够在投入较低硬件成本的基础上，实现良好的 ＣＡＮ通讯接口，但价格较贵。随着应用技术的发 系统运行性能。这个方案也充分发挥了现场总线 展，经常会出现一些应用场合，在面积较大的范围 ＣＡＮ—ｂｕｓ的实时、可靠、高速、远距离、易维护等特 内，需要多台ＰＬＣ协同完成一个系统的综合控 点 。通过单片机将ＰＬＣ的通讯协议转化为ＣＡＮ 制…。许多制造业用户特别是大型企业，为了避免 协议，并组成ＣＡＮ总线网络，以实现各ＰＬＣ之间的 过分依赖一家系统提供商，通常会采用几家不同厂 相互访问，同时可使用上位机检测各ＰＬＣ的工作和 商的控制系统。ＰＬＣ之间的通信格式不兼容，给企 通信状况。这种方式组建的ＰＬＣ网络，与选择集成 业内部的系统集成、集中管理和升级带来了极大的 ＣＡＮ通讯功能的ＰＬＣ设备相比，具有更加灵活的系 困难。因此，研究一种统一的通信协议，以使不同品 统扩展能力，也能够获得更好的性价比…。 牌的ＰＬＣ可以统一监控和互相自由通信具有重要 的现实意义。 ２基于ＣＡＮ总线的ＰＬＣ网络方案 ＣＡＮ总线具有多主工作方式、各站依据优先权 进行总线访问的机制、无破坏性的总线仲裁技术、短 帧结构不易受干扰、自动检错、发送期间若丢失仲裁 或由于出错而遭到破坏的帧可实现自动重发等性 能。直接通信距离最远可达１０ｋｍ（传输速率为 ５ｋｂｉｔ／ｓ），最高通信速率可达１Ｍｂｉｔ／ｓ（传输距离为 图１基于ＣＡＮ总线的ＰＬＣ网络方案 作者简介：薛青娜（１９７９一），女，陕西渭南人，讲师，主研方向：通信信号技术。 收稿日期：２０１１—０４—０８ ・２８・ 微处理机 ２０１２正 在该方案中与上位机联系的欧姆龙ＰＬＣ通过 转换网关连接，而下位机的ＰＬＣ１，ＰＬＣ２，…，ＰＬＣｎ 则是不同公司的ＰＬＣ产品，有欧姆龙的ＰＬＣ，有三 起数据传输。当多节点参与通信时，必须为上位机 链接通信设置节点号，用以区分不同的节点，本文中 每个ＤＰ５１＋上只有一个ＰＬＣ，节点号设置为０ｏ。从 上位计算机发送一个命令时，必须遵循上位机连接 通信协议。 菱的ｓｃ—Ｏ９，还有满足ＭＯＤＢＵＳ通信协议的控制 产品。这里转换网关的作用就是搭建不同ＰＬＣ协 议与ＣＡＮ协议之间的桥梁，并满足不同ＰＬＣ协议 程序ｆ＿ｃａｎ．Ｉ．Ｃ用来将ＣＡＮ接口接收到的命令 转化为欧姆龙的通信协议。主函数ｖｏｉｄ ｆ＿．ｃａｎ １（）首 先发送各命令共同的起始字符＠和节点号”ｏ０”， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｍ—之间的无缝衔接。为了开发方便起见，转换网关使 用周立功的ＤＰ５１＋开发板来进行实现，其中的 ＣＡＮ功能通过ＣＡＮ控制芯片ｓＪＡ１０００来完成。 ｃａｎｃｈａｒ［］中保存了主程序中接收 ３ ＰＬＣ协议与ＣＡＮ协议的转换方案 在ＣＡＮ与多ＰＬＣ协议转换方案中，主要是通 到的ＣＡＮ命令，其中第一个字节为该命令的控制字 符，根据该字节的值区别不同的命令并分别处理。 ｆｓｅｇａｌｊ．ｃ程序用来将串口接收到的欧姆龙响 ＿过软件来实现协议之间的转换，这里有欧姆龙通信 协议、三菱ｓＣ一０９、Ｍｏｄｂｕｓ ＲＴＵ。这里在ＤＰ５１＋的 应命令转化为ＣＡＮ命令。ＣＡＮ命令帧的地址为读取 命令中包含的发送节点地址，命令码为将相应命令码 的第７位置１，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｍ—ｓｅｆｉａｌｃｈａｒ［］中保存了 主程序中接收到的欧姆龙ＰＬＣ通过串口发送的字 符，其中第四和第五字节保存了命令的标题码，程序 以此判断并分别处理不同的命令。若为测试命令，则 软件中使用ｆ．＿ｓｅｒｉａｌ一１．Ｃ和ｆ＿ｃａｎ一１．Ｃ：实现欧姆龙 通信协议和ＣＡＮ协议的互相转换；ｆ＿ｓｅｒｉａｌ＿２．Ｃ和Ｌ ｃａｎ ２．Ｃ：实现三菱ＳＣ一０９通信协议和ＣＡＮ协议的 互相转换；ｆ＿ｓｅｎａｌ一３．Ｃ和ｆ．ｃａｒｌ一３．ｃ：实现Ｍｏｄｂｕｓ ＲＴＵ通信协议和ＣＡＮ协议的互相转换。在软件检 测到不同协议的时候，通过中断方式来调用上述函 数完成协议转换。 ３．１ 欧姆龙通信协议与ＣＡＮ协议互相转换 将数据区的第三个字节设置为本节点ＰＬＣ的类型 号，其它读写命令由开始地址区分后转换为相应的 ＣＡＮ命令。在处理读数据的响应命令时，对于大于 ８个字节的命令，要分成多帧分别传送。 ３．２三菱通信协议与ＣＡＮ协议互相转换 在上位机中严格按照ＯＭＲＯＮ专用协议编写通 信程序。这样ＰＬＣ才能理解上位机发来的命令帧， 而上位机才能理解ＰＬＣ发回的响应帧 Ｊ。响应帧 在ＰＬＣ的上位链接单元中自动生成，在ＰＬＣ中无需 三菱ｓｃ一０９通信电缆采用统一的编址处理各 种软设备，因此需要明确每一个软设备的具体设备 地址，读写时各软设备的地址范围如下表所示，每一 地址为一个字节，长８位，相当于８个软设备，如读 写时００８０Ｈ实际是Ｘ０一ｘ７的值。 用户再编写通信程序 因此可以没有ＰＬＣ的主动参 与而进行通信。ＰＬＣ也有能力在必须主动参与时发 表ｌ三菱字软设备地址 程序ｆ—ｃａｎ一２．Ｃ用来将ＣＡＮ接口接收到的命令转 读取保持寄存器命令的标题码ｏ３，标题码之后为读 化为三菱ｓｃ一０９的通信协议。因为三菱ｓｃ一０９通信 取变量的开始地址和读取数目，把转换完成的Ｍｏｄｂ． 协议中每个字节的最高位为偶校验位，其余位为数据 ＵＳ命令中从地址到读取数据低位的各字节存储在数 位，而ＤＰ５１＋串口协议每字节８位数据位，无校验位。 组ｃｈａｒ ｃｈ［］中，然后计算该命令的ＣＲＣ校验。 ｆｓｅｒｉａｌ２．Ｃ程序用来将串口接收到的ＳＣ—Ｏ９ ＿＿的通信命令转化为ＣＡＮ命令。因接收到的每个字 节都包含了偶校验位，所以在使用每个字节的值之 前，首要要去取偶校验位，然后再根据标题码判断不 同的处理命令。 ３．３ ＭＯＤＢＵＳ协议与ＣＡＮ协议转换 ｆ＿ｓｅｒｉａｌ一３．Ｃ程序用来将串口接收到控制器的 应答命令转化为ＣＡＮ命令。ＤＰ５１＋接收到应答命 令后计算ＣＲＣ校验，确认校验无误则转化为ＣＡＮ 命令并发送回相应的节点，如果命令大于８个字节， 则分成多帧分别发送。 程序ｆ＿ｃａｎ＿３．Ｃ用来将ＣＡＮ接口接收到的命令 ４不同类型ＰＬＣ互相通信 转化为Ｍｏｄｂｕｓ的通信协议。在ＤＰ５１＋接收到读取 ４．１欧姆龙ＰＬＣ主动发起写操作、 工作区的命令０ｘ２２后，首先发送节点地址０１，其后为 必要时欧姆龙能主动发起传送数据，以减少上 １期 薛青娜：基于ＣＡＮ总线的多ＰＬＣ网络通信方案研究 ・２９・ 位机监控的频率。实现这一功能需要在欧姆龙ＰＬＣ 中编写ＴＸＤ命令，首先初始化ＤＭ区，ＤＭ０痈字节 为写操作命令代码，与ＣＡＮ协议的命令码相同，低 字节为写操作目标节点的地址。ＤＭ１中保存写命 以欧姆龙主动发起读取三菱ＰＬＣ数据的操作 令的开始地址，从ＤＭ２开始保存要写的数值。 ＴＸＤ命令的格式如图２所示，首源字ｓ为传送 数据第．一个字的地址，本文中固定为ＤＭ０，控制字 为例，具体通信步骤如下： （１）在欧姆龙ＰＬＣ中编写ＴＸＤ命令，首先初始 化ＤＭ区，ＤＭ０高字节为命令代码，与ＣＡＮ协议的 命令码相同（０４），低字节为读取数据目标ＰＬＣ的节， 点地址。ＤＭ１高字节设置读取目标ＰＬＣ哪个区域 的数据，若读取输人区则置为０１，读取输出区则设 置为０２，读取工作区则设置为０３。低字节设置读取 来的数据放到本机工作区的开始地址，如设置为 ００。ＤＭ２设置为读取目标节点数据的开始地址， （ｃ）的值决定了数据的输出端口，在上位机链接模 式中，最低两位未使用，均设置为０。最高位设置为 １，则输出到外围端口，设置为０，则输出到外围端口 以外的端口。当最高位设置为０时，第二位设置为 ＤＭ３设置为读取的字节数。然后通过ＴＸＤ命令将 ０，使用ＣＰＵ单元内置的ＲＳ一２３２Ｃ端口，设置为ｔ ＤＭ０到ＤＭ３的数据发送到ＤＰ５１＋（１）。 或２则分别使用串行通信板端口ｌ或２。本文使用 欧姆龙ＰＬｃ Ｉ ｌ三菱ＰＬＣ ＣＰＵ单元内嚣的ＲＳ一２３２Ｃ端口，因此控制字Ｃ没 置为＃０。字节数Ｎ必须是＃００００到＃００６１之问的 ＢＣＤ值（即最多有１２２个字节的ＡＳＣＩＩ字符）。当 执行条件为ＯＮ时，ＴＸＤ从首源字ｓ开始读出Ｎ个 字节数据，将其转化为ＡＳＣＩＩ码，然后输出数据到指 定端Ｖ－１，在读取ＤＭ区时，将先读取高字节，后读取 图３ ＰＬＣ主动读数据通信流程 低字节。 （２）ＤＰ５１＋（１）确认欧姆龙发送来的Ｅｘ命令 ｓ：首源字 ＩＲ，ＳＲ，ＡＲ，ＤＭ，ＥＭ，ＨＲ，ＴＭ／ＣＮＴ，ＬＲ 正文的第一个字节为０ｘ０４后，将其转化为ＣＡＮ查 Ｃ：控制字 询命令（０ｘ０４），并发送到目标节点。 ＃ （３）ＤＰ５１＋（２）接收到查询消息帧以后，通过 Ｎ：字节数 判断第３个字节的值，采用相应的命令读取三菱 ＩＲ，ＳＲ，ＡＲ，ＤＭ，ＥＭ，ＨＲ，ＴＭ／ＣＮＴ，ＬＲ＃ ＰＬＣ输入区、输出区或者工作区的数据。 图２欧姆龙ＴＸＤ命令 （４）三菱ＰＬＣ自动Ｈ向应对它的读数据命令。 从欧姆龙ＰＬＣ发送出的字符格式如下表所示， （５）ＤＰ５１＋（２）接收到三菱ＰＬＣ对读数据命令 欧姆龙ＰＬＣ将自动添加前缀（起始字符、节点号和 的响应后，以接收到ＣＡＮ命令的第４个字节的值为 标题码ＥＸ）和后缀（校验码和结束符）。程序ｆ＿ｓｅｒ－ 开始地址，发出按字节写工作区命令０ｘ１３到ＤＰ５１＋ ｉａＪ．１．ｃ通过标题码ＥＸ来判断是否是欧姆龙ＰＬＣ （１）。 发出的ＴＸＤ命令，根据正文的最高字节，将其转化 （６）ＤＰ５１＋（１）接收到写工作区命令０ｘｌ３后， 为相应的ＣＡＮ通信命令（按字节写输出命令０ｘ０３、 处理开始地址后转化为欧姆龙写ＩＲ区命令，在接收 按字节写工作区命令０ｘ１３），接收写人命令节点的 到欧姆龙ＰＬＣ的正确响应后通信结束，读取的数据 处理流程与上位机监控时相同，在收到写入节点发 保存在欧姆龙的工作区中。 回的正确响应命令后，欧姆龙主动发起的对其它节 ４．３三菱ＰＬＣ主动发起读写操作 点写人数据的操作结束。 三菱ＰＬＣ主动发起读写其它节点的数据需要 表２欧姆龙ＥＸ命令 使用ＲＳ指令。ＲＳ指令的格式如图４所示，虽然在 一起始字符节点号标题码正文 校验码ＦＣＳ 结束符 个程序中可以按需使用大量Ｒｓ指令，但必须保 ＠ 。’ 。。Ｅ ｘ 数据 寡篆 ｉｎ 证同一时刻只有一个Ｒｓ指令被驱动。该指令使用 ＲＳ一２３２接口来发送和接收串行数据，在ＲＳ指令接 ４．２欧姆龙ＰＬＣ主动发起读操作 通的情况下，将Ｍ８１２２置位（设置发送请求），将从 当需要欧姆龙主动发起读数据操作时，需要使 发送地址开始，依次将数据发送到串口，发送数据的 用查询命令０ｘ０４。两ＰＬＣ互相通信的示意图如图３ 个数由发送数据点数决定。本文不需要三菱ＰＬＣ 所示。 主动接收数据，因此接收数据点数设置为０。 微处理机 由Ｍ８１６１决定发送数据的方式，当Ｍ８１６１设置 为ＯＦＦ时，ｌ６位数据被分成高８位和低８位，然后 再发送；设置为ＯＮ时，高８位被忽略，只发送低８ 位。本文中ＣＡＮ应用层协议采用按字节方式读写， 因此使用Ｒｓ指令前，将Ｍ８１６１设置为ＯＮ。 图４三菱ＲＳ指令 由三菱ＰＬＣ主动发起写其它节点的操作时，首 先初始化数据寄存器，Ｄｏ设置为写操作命令代码， 与ＣＡＮ协议的命令码相同，Ｄｌ设置为写操作目标 节点的地址。Ｄ２中保存写命令的开始地址，从Ｄ３ 开始保存要写的数值。然后驱动ＲＳ指令，并设置 图５欧姆龙ＴＸＤ通信程序 在欧姆龙ＰＬＣ中首先将ＤＭ０一ＤＭ３分别设置 为＃０４０２、＃０１００、＃００００、＃０００２，然后每ｔ秒钟通过 ＴＸＤ命令将ＤＭ０一ＤＭ３的数据发送到串口，将三菱 ＰＬＣ的输人区从地址０开始的两个字节读到工作区 ＩＲ０１６，然后将输出区ＩＲ１００设置为与工作区起始地 发送请求。三菱ＰＬＣ将自动在数据块的前后分别 添加数据块起始标志ＳＴＸ和数据块结束标志ＥＴＸ。 由三菱ＰＬＣ主动发起读取其它节点数据的操 作时，首先初始化数据寄存器，Ｄ０设置为查询命令 代码ｏ４，Ｄｌ设置为读取数据目标节点的地址。Ｄ２ 设置为读取目标ＰＬＣ哪个区域的数据，Ｄ３设置为 读取来的数据放到本机工作区的开始地址。Ｄ４设 址ＩＲ０１６的值相同。将三菱ＰＬＣ的输人点设置为 ＯＮ以后，欧姆龙ＰＬＣ相应的输出点点亮，由欧姆龙 主动发起的读数据命令正确执行。 ６结束语 许多制造业用户特别是大型企业，为了避免过 分依赖一家系统提供商，通常会采用几家不同厂商 的控制系统 Ｊ。ＰＬＣ之间的通信格式不兼容，给企 业内部的系统集成、集中管理和升级带来了极大的 困难。本文提出了一种基于ＣＡＮ总线的ＰＬＣ网络 置为读取目标节点数据的开始地址，Ｄ５设置为读取 的字节数。然后驱动ＲＳ指令，并设置发送请求。 其余通信流程与欧姆龙主动发起读取其它节点数据 的流程相同。 ５ 系统测试 用Ｋｅｉｌ软件编写协议转换程序（与欧姆龙ＰＬＣ 连接的ＤＰ５１＋的ＣＡＮ通信地址设置为２，另外一个 与三菱ＰＬＣ连接的ＤＰ５１＋的ＣＡＮ地址设置为３， 实际应用时可外接ＤＩＰ开关用来选择地址），并生 成汇编文件，然后将ＤＰ５１＋的串口与上位机串口相 通信方案，该方案通过将各厂家不同的通信协议转 化为统一的ＣＡＮ网络通信，从而实现了较好的互相 连通以及统一的上位机监控能力。 参考文献： ［１］ 甘永梅，李，刘小娟．现场总线技术及其应用 连接，将模式选择开关拨到编程模式，打开ＤＰＦｌａｓｈ 下载软件，型号选择ＤＰ５１（＋），选择连接的上位机 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４． ［２］ 温克强．Ｍｏｄｂｕｓ通讯协议在ＤＣＳ与ＰＬＣ通讯中的应 用［Ｊ］．石油化工自动化，２００５（５）：６５—６８． ［３］李喜东，刘波涛，．Ｍｏｄｂｕｓ ＲＴＵ串行通讯协议在 工业现场的应用［¨．自动化技术与应用，２００５，２４ （７）：３７—４０． 串口，并选择波特率为９６００ｂｐｓ ６ Ｊ。 在欧姆龙ＰＬＣ中首先将ＤＭ０一ＤＭ２分别设置 为＃０３０２、＃００００、＃０００１，然后执行如图５所示的命 令，每１秒钟通过ＴＸＤ命令将ＤＭ０一ＤＭ２的数据 发送到串口，经过ＤＰ５１＋转换为对三菱ＰＬＣ写输 出区的命令，然后将ＤＭ２中的数值循环左移一位。 三菱ＰＬＣ的输出指示灯依次循环点亮，由欧姆龙 ＰＬＣ主动发起的写数据命令正确执行。 ［４］ 袁飞，程恩．基于Ｍｏｄｂｕｓ规约的智能仪表与Ｐｃ机通 信技术实现［Ｊ］．微计算机信息，２００４，２０（９）：５６—５７． ［５］赵伟，张小牛．网络化一测量技术与仪器发展的新趋 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