小型PLC通用人机界面装置设计

林植洲，蔡启仲，李克俭，潘绍明，未庆超

LIN Zhi-zhou，CAI Qi-zhong，LI Ke-jian，PAN Shao-ming，WEI Qing-chao

（广西科技大学 电子与信息工程学院，柳州 545006）

0 引言

在工业控制领域，人机界面(Human Machine Interface,简称HMI)以其友好的人机交互功能，被广泛的使用在工业控制设备之中，人机界面和PLC组合的控制系统更是得到了广泛的应用，根据PLC被控对象的不同或应用场合的不同，用户对人机界面的需求也有所不同[1～3]。为了满足不同被控对象的应用需求，提高人机界面的开发效率和利用率，本文结合自主研制的通用小型可编程控制器，设计了一种通用人机界面装置，给出了具体软硬件设计，并建立了人机界面的物理量与PLC软元件的映射关系，使人机界面能和PLC进行准确通讯，最后以具体实例进行了验证。

1 人机界面总体方案

通用人机界面作为小型PLC控制系统中的监控装置，通过CAN总线与由ARM和FPGA构成的PLC主机进行通讯[4,5]。通用人机界面装置的设计遵循以下原则：1）硬件简单、可靠、廉价且运行环境好，并配有大容量存储器，提供静态与动态参数数据等的存储；2）软件简单、实用、开发方便；3）人机交互界面友好；4）通用性好，能应用于不同被控对象。

在人机界面装置的电路系统设计方面，采用LPC2478微控制器和迪文智能显示终端为核心硬件，配置CAN接口模块以及其他外围电路模块，能够达到一台 PLC 配置多台人机界面；在软件结构方面，由界面设计软件和系统程序作支持，系统程序采用 C 语言结合迪文指令集进行二次开发，在此基础上实现人机界面的各项功能，设计人机交互系统。

2 人机界面硬件结构设计

人机界面硬件由主控制器模块、显示模块、CAN接口模块、辅助模块、其他接口模块组成。硬件框图如图1所示。

1）LPC2478是基于32位ARM7内核的微控制器，工作频率为72MHz，集成了丰富的外设组件，作为人机界面的主控制器，主要承担系统各模块的控制任务及通讯功能。

2）显示模块采用5.6寸迪文智能显示终端，显示终端通过RS-232串口与LPC2478或PC机进行通讯[6]。通过显示终端的显示屏和触摸屏实现被控对象控制参数的输入和显示、运行参数的实时显示、报警信息显示等；显示终端自带128MB Nand FLASH的用户存储空间，其中64MB的图片存储器能存储640×480的全屏图片102幅；最大32MB的数据存储器,其中64KB的用作随机存储空间、29.875MB的作为顺序存储空间用于存储历史数据，以便于对数据进行分析；显示终端能外接最大6×6矩阵键盘，便于用户在需要使用外接键盘时，接入人机界面进行输入。

3）由于LPC2478内部集成了CAN控制器，本文采用具有DC 2500V隔离功能的CTM8251T芯片作为CAN收发器，人机界面通过CAN接口与小型PLC系统连接，CAN接口模块主要实现CAN总线上信息的接收和发送。

图1 人机界面硬件结构框图

4）辅助模块由电源管理模块、时钟模块、报警模块、复位模块组成，为系统功能的实现提供了必要的协助。其它接口模块中还配置有USB接口与调试接口。

3 人机界面软件设计

软件设计包括界面设计，系统程序设计以及人机界面物理量与PLC软元件映射关系的设计。映射关系的设计为界面设计中的键码配置、系统程序设计中键码与软元件编码转换程序提供了依据。

3.1 人机界面物理量与PLC软元件的映射设计

3.1.1 设计思路

在由ARM与FPGA组成的PLC主机的用户存储区中每个软元件保存的信息都与被控对象的工作状态或运行参数相关[4,7]，即每一个软元件编号与每一个被控对象实际物理量都有唯一的对应关系，每一个软元件的信息表示了该物理量的数据或开关量状态。为了使人机界面能够显示被控对象实际物理量的信息，应建立起人机界面物理量与PLC软元件唯一的映射关系。

在PLC主机中与人机界面通讯的PLC软元件有输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态器、数据寄存器。为了建立人机界面物理量与软元件的映射关系，首先给每个PLC软元件赋予一个确定值；接着在给人机界面物理量配置键码值时，根据人机界面的开关量要与PLC主机中保存被控对象开关量状态的软元件相对应、人机界面显示的模拟量要与PLC主机中保存被控对象模拟量设定值或当前值的软元件相对应的原则，把人机界面物理量的键码值配置成与其对应PLC软元件的赋值相同。这样就建立起了人机界面物理与PLC软元件的映射关系。

3.1.2 具体设计

考虑到本装置最大配置键码值为9999，而PLC主机中与人机界面通讯的软元件总个数超过这个数值，因此要对PLC软元件的个数做进一步的限定。在考虑实际使用情况后，本设计对与人机界面通讯的PLC软元件做了如下规定，并赋给一个确定值，具体如表1所示。

表1 与人机界面通讯的PLC软元件赋值设计表

自主研制的小型PLC控制系统采用了CAN 2.0B标准帧格式的自定义CAN协议作为系统的通信协议，该协议采用起始位＋设备地址＋数据类型＋数据号＋数据长度＋数据＋CRC 校验＋结束标志[4]。在协议中定义了软元件的编码规则，具体如表2所示。

表2 人机界面与PLC主机通讯的软元件编码

3.1.3 实现过程

以保存PLC主机工作状态“手动”信息的软元件M1为例,将显示界面中“手动”控制按钮的键码值依据表1配置为1501（0x05 0xDD），当按下“手动”按钮时显示终端通过串口上传一个携带键码值为 0x05 0xDD的迪文指令给LPC2478，LPC2478收到这条指令提取键码为0x05 0xDD时，判断为改变PLC主机的工作状态为手动，并将键码值转换成软元件M1的编码信息：数据类型为0x04、数据号为0x00 0x01。将编码信息按照自定义的CAN协议进行填充编码写成改变M1状态的CAN指令，通过CAN总线传给PLC主机。这样就实现了通讯过程中人机界面物理量与PLC软元件映射关系的转换。

3.2 界面设计

界面设计软件由PC机上的画图软件、迪文触控界面制作软件、迪文演示助理软件构成。界面设计采用迪文触控界面设计方式，用户可以根据需要在PC机上用画图软件设计出类似windows风格的图形界面来实现人机交互。

显示界面用画图软件制作完成之后，由迪文触控界面制作软件配置界面间的触控关系、界面中显示的物理量按人机界面物理量与PLC软元件映射关系进行键码配置，并生成触控配置文件。通过迪文演示助理软件调试后把显示界面和触控配置文件下载到显示终端，并对显示终端的参数进行设置包括界面触控方式设置、串口通信波特率设置等。本设计把触控方式设计成点击有效触控区域才发出声音，并上传触控键码值：当点击显示界面中的控制按钮、数值显示框或数字键盘时，迪文智能显示终端通过串口自动上传一个携带相应键码值的迪文指令到LPC2478。

3.3 系统程序设计

系统程序通过C语言结合迪文指令集进行开发，采用模块化结构设计方法进行设计。人机界面系统程序由4个模块组成：系统初始化模块、中断模块、功能模块和主控模块。

系统初始化任务主要是实现人机界面系统各个硬件驱动的初始化；中断模块包括串口接收中断程序和CAN接收中断程序，通过中断程序保证迪文显示终端通过串口发送来的数据和CAN总线上的数据的实时接收；主控模块完成系统工作任务判断，进行正常控制循环；功能模块包括键盘输入程序、键码与软元件编码转换程序、CAN编码程序、CAN解码程序、串口编码程序、串口解码程序、数据保存程序、光标显示程序等具体功能小模块。本文的键盘输入程序采用工业中应用比较广泛的“防错误输入法”进行设计，即当输入错误值时，不用退出，只需重新输入正确的值即可。

人机界面装置每个功能都是通过调用这些具体功能小模块来实现的，如对PLC被控对象参数进行设定功能的实现过程如图2所示。

图2 参数设定功能的实现过程

4 实例验证

本文以太阳能热水器控制系统为试验对象，在构建好的通用人机界面平台上进行二次开发。依据系统要求[8]，人机界面要实现的主要功能有∶水位显示/设定、温度显示/设定、自动/手动控制、报警显示等，系统显示界面的显示菜单设为2级菜单的形式，例举菜单中参数设置界面功能如果图3所示。

图3 太阳能热水器控制系统人机界面功能菜单

首先将人机界面的物理量与保存太阳能热水器信息的PLC软元件进行一一映射，例举部分映射关系如表3所示；接着用画图软件制作所需的显示界面，并配置各界面的触控关系和键码值；最后经调试无误后把显示界面、触控配置文件下载到人机界面装置。

表3 部分人机界面物理量与PLC软元件的映射关系

将人机界面装置接入控制系统对太阳能热水器进行实时监控。显示系统运行时参数设置界面如图4所示。

5 结束语

采用LPC2478微控制器结合迪文的智能显示终端进行通用人机界面设计，提高了系统的处理速度和设计的可靠性，也便于功能的扩展；采用迪文触控界面设计方式简化了界面设计过程，而且界面设计可以和系统程序设计同时进行，缩短了设计周期时间。经实例验证表明本文设计的通用人机界面装置开发方式简单，满足实际应用需求，达到友好人机交互的目的。

[1] 陈永利,李玉鼎.PLC与人机界面组合的控制系统研究[J].制造业自动化,2012,34(7)∶148-150.

[2] 蔡启仲,贺漾,潘绍明.基于CAN总线的塑料助吹中空成型机人机界面装置[J].仪表技术与传感器,2011,(4)∶28-30.

[3] 邴旭,化春雷,李焱,等.西门子数控系统人机界面二次开发方法研究[J].制造技术与机床,2011,(10)∶163-167.

[4] 侯鸿佳,蔡启仲,陈文辉,等.ARM＋FPGA 组成的PLC 结构的通信系统[J].广西工学院学报,2012,23(1)∶14-19.

[5] 蔡启仲,郭毅锋,陈文辉,等.通用小型可编程控制器及其控制方法∶中国,200710052941.X[P].2009-08-19.

[6] 北京迪文科技有限公司.DMT64480T056_01WT数据手册[OL].(2010-07-01)[2013-03-16]. http∶\www.dwin.com.cn.

[7] 方承远,张振国.工厂电气控制技术[M].北京∶机械工业出版社,2008.

[8] 耿立明,刘漫洲,刘雨刚,等.基于PLC的太阳能热水器的自动控制系统[J].电气传动,2006,36(11)∶54-56.