【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 歐姆左右， 在 電流約 于 200mA 即可 啟動(dòng) ， 所以 在繼電器線圈上串聯(lián) 100 歐姆的限流電阻 ，目的 是 為 防止繼電器吸合時(shí)，線圈發(fā)熱。 二極管 1N1007 的作用是保護(hù)晶體管。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，二極管截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感， 這時(shí) 晶體管已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。這個(gè)電壓 的極性是上負(fù)下正，正端接在晶體管的發(fā)射機(jī)。當(dāng)感應(yīng)電壓與 5V 之和大于晶體管的發(fā)射節(jié)向耐壓時(shí)，晶體管就可能損 壞。加入二極管后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電 流由二極管流過(guò)，因此不會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，晶體管就得到了保護(hù)，從而保證了電路的可靠性。 圖 37 繼電器控制電路 通訊 電路 為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)控制和方便上位機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和各種控制任務(wù)，該設(shè)計(jì)提供了兩種通信接 口： RS485 接口 和 RS232 接口 。 RS232 主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的通信方式，即溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通訊，而 RS485 則可用來(lái)完成節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信。 其中 RS232 通訊電路 采用 MAX232 芯片 ， 它是 專門(mén)為電腦 的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ,使用 +5v 單電源供電。 具體 RS232 通訊電路 如 圖 38所示。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 11 圖 38 RS232通訊 電路 由于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，往往分散控制單元數(shù)量較多，分布較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)存在各種干擾，使得實(shí)際工程應(yīng)用中如何保障 RS485 總 線 通信的可靠性成為 一個(gè) 棘手的 問(wèn)題。 在使用 RS485 總線時(shí) ， 如 果簡(jiǎn)單地按常規(guī)方式設(shè)計(jì)電路，在實(shí)際工程中可能有以下兩個(gè)問(wèn)題出現(xiàn) 。 一是通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問(wèn)題；二是在多機(jī)通信方式下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障 如死機(jī) ，往往會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的通信框架崩潰，給故障的排查帶來(lái)困難。由于應(yīng)用系統(tǒng)中， 上位機(jī) 與分 節(jié)點(diǎn) 相隔較遠(yuǎn)，通信 線路的總長(zhǎng)度往往超過(guò) 幾百 米，而分 節(jié)點(diǎn) 系 統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成 。 如果在此時(shí)某個(gè) 分節(jié)點(diǎn)的 RS485芯片 DE 端電位為 “ 1” ，那么它 在 RS485 總線輸出將會(huì)處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其它的分 節(jié)點(diǎn) 就 無(wú)法與 主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分節(jié)點(diǎn) 出現(xiàn)異常情況下 如 死機(jī) ，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí) 每個(gè)分節(jié)點(diǎn)的 485 芯片 的 DE 端電位為 “ 0” 。 在 單片機(jī) 在復(fù)位期間，其 I/O 口輸出高電平， 此時(shí) 光電隔離的輸出端為低電平， 485 芯片的 DE 端為低電平，節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)， 故 電 路的接法有效地解決復(fù)位期間 分節(jié)點(diǎn)“咬” 總線的問(wèn)題。 除 了上述總線邏輯問(wèn)題需要解決外，還要對(duì) RS485 總線輸出 電路的參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)置。 由于要對(duì)現(xiàn)場(chǎng) 溫度 情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及響應(yīng)，通信數(shù)據(jù)的波特率往往做得較高 ， 通常都在 4800 波特以上 。 限制通信波特率提高的瓶頸，并不是現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線，而是 RS485 與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)隔離的光耦電路上。 在本 電路設(shè)計(jì)采用 了 高速光耦，如 6N13 HCPL2530 等芯片 。另外通過(guò) 優(yōu)化 光耦電路參數(shù)的設(shè)計(jì)， 可以 使之能工作最佳狀態(tài) 。 例如限流電阻和上拉電阻 如果選取得較大，將會(huì) 使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 12 入 飽和變得較慢 ； 如果選取得過(guò)小，退出飽和也會(huì)很慢，所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，不同型號(hào)的光耦及驅(qū)動(dòng)電路使得這兩個(gè)電阻的數(shù)值略有差異，通常可以由實(shí)驗(yàn)來(lái)定 本設(shè)計(jì)中這兩個(gè)電阻為 470Ω 和 1K。 另外， 在 RS485 信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)10Ω 的電阻 ， 這樣本 節(jié)點(diǎn) 的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體 一般 是雙絞線 加屏蔽層，雙絞線 的特性阻抗為 120Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在 RS485 網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接 1 只 120Ω 的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射 。 由于 RS485 芯 片的特性，接收器的檢測(cè)靈敏度為 177。 200mV，即差分輸入端 VA－ VB ≥ +200mV，輸出邏輯 1； VA－ VB ≤－200mV，輸出邏輯 0。 而 A、 B 端電位差的絕對(duì)值小于 200mV 時(shí)，輸出為不確定。如在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯 0，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是使 A 端電位高于 B 兩端電位，這樣 RXD 的電平在 485 總線不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符。通過(guò)在 485 電路的 A、 B 輸出端加接上拉、下拉電阻，即可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。 由 于本設(shè)計(jì)的溫度 測(cè)控節(jié)點(diǎn)的 RS485 傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^(guò)電壓。而 RS485 收發(fā)器工作電壓較低 5V 左右，其本身耐壓也非常低，一旦過(guò)壓引入，就會(huì)擊穿損壞 。因此防雷擊保護(hù)成為 RS485 口設(shè)計(jì)必須要考慮的。 在本設(shè)計(jì)中 RS485 電路加入了防雷擊，承受浪涌沖擊，過(guò)流保護(hù)的功能，可以滿足戶外布線。該 RS485 保護(hù)電路中主要采用了 TVS 半導(dǎo)體保護(hù)器件和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲， 其中 TVS 管具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。由于 器件正常工作時(shí) RS485 驅(qū)動(dòng)電流約為 30 mA，短路時(shí)總線電流超過(guò) 300mA，所以 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲 采 300mA/60V，從而可以推出 RS485 總線上的 10 歐姆的串聯(lián)電阻應(yīng)選用 1W。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓由 RS485A 和 485B 線引入，電路中 D20 是作為初級(jí)共模防護(hù)，通?？梢猿惺?0KV 浪涌沖擊，使之后殘壓已經(jīng)降低到 1KV 以下，然后 TVS 管 D1 D D14和 D15 作為二級(jí)保護(hù)進(jìn)行共?；虿钅１Ｗo(hù)，從而電壓被鉗制在 12V 以下，保證電路防雷擊，抗浪涌的功能 。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 13 圖 39 RS485轉(zhuǎn)換 電路 在 RS485 收發(fā)器之后還加入了電壓鉗位電路，采用四個(gè) 高速開(kāi)關(guān) 二極 管 1N4148反向接入 RS485 電源和 RS485 地來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而把 RS485 總線輸入收發(fā)器之前的電壓限制在 到 之間。當(dāng) RS485 總線與電力線搭接短路時(shí)， RS485A 和 RS485B線上的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可以提供短路保護(hù)。 圖 310 RS485保護(hù) 電路 顯示 電路 顯示部分的 任務(wù) 是顯示 采集 現(xiàn)場(chǎng)的溫度，由于單片機(jī)的 I/O 口資源豐富，從性價(jià)比考慮，選用四位一體的共陽(yáng)數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)部分采用 8550 達(dá)靈頓管 ，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示 。具體電路如圖 311 所示。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 14 圖 311 數(shù)碼管顯示電路 硬件抗干擾的設(shè)計(jì) 一個(gè)完善的硬件設(shè)計(jì)，不 僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)定 的功能，還要對(duì)外界的擾動(dòng)有一定的防御能力 以確保系統(tǒng)能夠可靠安全的運(yùn)行。 一般來(lái)說(shuō)干擾形成必須具備三個(gè)條件 ： 干擾源、傳輸?shù)耐ǖ酪约皩?duì)干擾問(wèn)題敏感的接收電路。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)主要的干擾因素如下：系統(tǒng)內(nèi)部電路板布線的合理性，元器件的選擇，布局等對(duì)各種芯片精度的影響；工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜，磁場(chǎng)干擾，電網(wǎng)的波動(dòng)，市電的工頻干 擾，可以通過(guò)電源變壓器分布電容和各種電磁路徑對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生影響； 通過(guò)信號(hào)通道串入的外部電氣信號(hào)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部電氣信號(hào)的影響。 針對(duì)以上干擾，本系統(tǒng)主要采用了如下的抗干擾設(shè)計(jì) 。第一， 地的處理 。 浮地、屏 蔽接地 ： 把 節(jié)點(diǎn) 的數(shù)字地與模擬地浮空，而系統(tǒng)設(shè)備外殼采用屏蔽接地。浮地方式可使微機(jī)系統(tǒng)不受大地電流的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于強(qiáng)電設(shè)備采用保護(hù)接地，浮空技術(shù)切斷了強(qiáng)電與弱電的聯(lián)系，系統(tǒng)運(yùn)行安全 可靠。系統(tǒng)設(shè)備外殼采用屏蔽接地，可防止靜電干擾和電磁感應(yīng)干擾。數(shù)字地和模擬地分開(kāi)布置：在線路設(shè)計(jì)中，將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連，但數(shù)字地與模擬地僅在一點(diǎn)相連。這樣可有效防止地線公共阻抗干擾。第二 ： 電源電路抗干擾設(shè)計(jì) 。為抑制電源輸出紋波，在每個(gè)電源的輸出端都并入一個(gè)吸收低頻干擾的大容量電解電容和一個(gè)吸收高頻 干擾的無(wú)源電容。每個(gè)集成電路旁放置一個(gè)去 耦 電容，且 .盡可能靠近集成電路，引線短而粗。 第三， 電路板設(shè)計(jì) 。將電路板數(shù)字、模擬信號(hào)分區(qū) ； 晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定 ； 雙面板布線時(shí)，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交或彎曲走線，避兔相互平行，以減少寄生 耦合 ； 電路板布線時(shí)避免90176。 折線，減小高頻噪聲發(fā)射 ： 電路板上每個(gè)芯片要并接一個(gè) 104 高頻電容，減小芯基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 15 片對(duì)電源的影響 ； I/O 驅(qū)動(dòng)器件，功率放大器件盡量靠近印制板的邊緣，靠近接插件 ；在沒(méi)有布置器件的地方盡量覆和地線相連的銅網(wǎng)，以便于散熱，同 時(shí)采集板和顯示板外圍用地線構(gòu)成閉環(huán)路，來(lái)減少電位差 ； 給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。 第四， 信號(hào)通道抗干擾設(shè)計(jì) 。系統(tǒng)內(nèi)外的信號(hào)流主要是通過(guò) RS485通道傳輸，為了避免外部電氣信號(hào)的干擾，在 485 接口電路中采用了光藕芯片，使得內(nèi)外電氣信號(hào)隔離連接，信號(hào)通過(guò)光路進(jìn)行傳遞，能有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，從而能有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機(jī) ； 信號(hào)傳輸線采用雙絞線，使得各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對(duì)電磁場(chǎng)干擾有一定的抑制作用。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 16 4 Modbus 協(xié) 議 概述與應(yīng)用 本章是對(duì) Modbus 協(xié)議的概述， 主要介紹了 ： Modbus 協(xié)議結(jié)構(gòu) ， Modbus 數(shù)據(jù)單元， Modbus 通信網(wǎng)絡(luò)， Modbus 通信原理， Modbus 傳輸方式，錯(cuò)誤檢測(cè)方法， Modbus消息幀等。通過(guò)本章對(duì) Modbus 協(xié)議系統(tǒng)分析研究，為基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 提供理論依據(jù)。 Modbus 協(xié)議概述 總體描述 Modbus 協(xié)議是工業(yè)控制系統(tǒng)采用的一種通用協(xié)議。通過(guò)此協(xié)議，采集器相互之間、采集器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò) (例如以太網(wǎng) )和其它設(shè)備之間可以通信，己經(jīng)成為一種通用 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠商生產(chǎn)的采集設(shè)備可以通過(guò)協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。 Modbus協(xié)議描述了一采集器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，制定了消息域格式和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一個(gè) Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)采集器必須知道自己的設(shè)備地址，根據(jù)地址識(shí)別消息的歸屬，決定執(zhí)行何種功能。如果需要回應(yīng)，采集器將生成報(bào)文并以 Modbus 協(xié)議幀方式發(fā)送報(bào)文。 Modbus 協(xié)議包括 ASCll、 RTU、 TCP 等協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 采集器使用 RS232 實(shí)現(xiàn)串行通訊。 Modbus 的 ASCll、 RTU 協(xié)議規(guī)定了消息、命令和應(yīng)答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用 Maser/Slave 方式， Master 端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息， Slave 端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到 Master 端以響應(yīng)請(qǐng)求， Master 端也可以直接發(fā)消息修改 Slave 端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。 Modbus 協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外， ASCll 模式主要采用 LRC 校驗(yàn)， RTU 模式主要采用 16 位 CRC 校驗(yàn)。 Modbus 是 OSI 模型第 7 層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接不同類型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)的通信。 目前，可 以通過(guò)下列三種方式實(shí)現(xiàn) Modbus 通信： （ 1） 以 太網(wǎng)上的 TCP/IP （ 2） 各 種 介質(zhì) 如 RS232， RS422， RS485，光纖，無(wú)線 等 串行傳輸 （ 3） 一 種高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò) 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 17 Modbus 數(shù)據(jù)單元 Modbus 協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （即 PDU） ，特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的 Modbus 協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元 （即 ADU） 上引入一些附加域，通用 MonBus 幀如圖所示。啟動(dòng) Modbus 事務(wù)處理的客戶機(jī)創(chuàng)建 ModbusPDU，其中的功能碼向服務(wù)器指示將執(zhí)行哪種操作，功能碼后面是含有請(qǐng)求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù) 域。 在 Modbus 串行鏈路，地址域只含有子節(jié)點(diǎn)地址。合法的子節(jié)點(diǎn)地址為十進(jìn)制0 至 247。每個(gè)子設(shè)備被賦予 1 至 247 范圍中的地址。主節(jié)點(diǎn)通過(guò) 將子節(jié)點(diǎn)的地址放到報(bào)文的地址域?qū)ψ庸?jié)點(diǎn)尋址。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)返回應(yīng)答時(shí)， 它將自己的地址放到應(yīng)答報(bào)文的地址域以讓主節(jié)點(diǎn)知道哪個(gè)子節(jié)點(diǎn)在回答。功能碼指明服務(wù)器要執(zhí)行的動(dòng)作。功能碼后面可跟有表示含有請(qǐng)求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。錯(cuò)誤檢驗(yàn)域是對(duì)報(bào)文內(nèi)容執(zhí)行 “ 冗余校驗(yàn) ” 的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)不同的傳輸模式 (RTU 或 ASCII)使用兩種不同的計(jì)算方法。 圖 41 通用 Modbus幀 Modbus 通信原理 Modbus 協(xié)議可以方便地在各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行通信，每種設(shè)備 （ PLC， HMI、采集面板、變頻器、運(yùn)動(dòng)采集、 UO 設(shè)備等 ） 都能使用 Modbus 協(xié)議來(lái)啟動(dòng)遠(yuǎn)程操作，同樣的通信能夠在串行鏈