【文章內(nèi)容簡介】 歐姆左右， 在 電流約 于 200mA 即可 啟動 ， 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，線圈發(fā)熱。 二極管 1N1007 的作用是保護晶體管。當(dāng)繼電器吸合時，二極管截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感， 這時 晶體管已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。這個電壓 的極性是上負(fù)下正，正端接在晶體管的發(fā)射機。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，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，因此不會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，晶體管就得到了保護，從而保證了電路的可靠性。 圖 37 繼電器控制電路 通訊 電路 為實現(xiàn)現(xiàn)場組網(wǎng)控制和方便上位機完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和各種控制任務(wù)，該設(shè)計提供了兩種通信接 口： RS485 接口 和 RS232 接口 。 RS232 主要用來實現(xiàn)一對一的通信方式，即溫度測控節(jié)點和上位機的通訊，而 RS485 則可用來完成節(jié)點組網(wǎng)通信。 其中 RS232 通訊電路 采用 MAX232 芯片 ， 它是 專門為電腦 的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(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)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 11 圖 38 RS232通訊 電路 由于實際應(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)場存在各種干擾，使得實際工程應(yīng)用中如何保障 RS485 總 線 通信的可靠性成為 一個 棘手的 問題。 在使用 RS485 總線時 ， 如 果簡單地按常規(guī)方式設(shè)計電路，在實際工程中可能有以下兩個問題出現(xiàn) 。 一是通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問題；二是在多機通信方式下，一個節(jié)點的故障 如死機 ，往往會使得整個系統(tǒng)的通信框架崩潰，給故障的排查帶來困難。由于應(yīng)用系統(tǒng)中， 上位機 與分 節(jié)點 相隔較遠(yuǎn)，通信 線路的總長度往往超過 幾百 米，而分 節(jié)點 系 統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個時刻完成 。 如果在此時某個 分節(jié)點的 RS485芯片 DE 端電位為 “ 1” ，那么它 在 RS485 總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其它的分 節(jié)點 就 無法與 主機進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分節(jié)點 出現(xiàn)異常情況下 如 死機 ，會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計時，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時 每個分節(jié)點的 485 芯片 的 DE 端電位為 “ 0” 。 在 單片機 在復(fù)位期間，其 I/O 口輸出高電平， 此時 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“咬” 總線的問題。 除 了上述總線邏輯問題需要解決外，還要對 RS485 總線輸出 電路的參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)置。 由于要對現(xiàn)場 溫度 情況進(jìn)行實時監(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)場的導(dǎo)線，而是 RS485 與單片機系統(tǒng)進(jìn)行信號隔離的光耦電路上。 在本 電路設(shè)計采用 了 高速光耦，如 6N13 HCPL2530 等芯片 。另外通過 優(yōu)化 光耦電路參數(shù)的設(shè)計， 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 使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)基于 Modbus 協(xié)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 12 入 飽和變得較慢 ； 如果選取得過小，退出飽和也會很慢，所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，不同型號的光耦及驅(qū)動電路使得這兩個電阻的數(shù)值略有差異，通常可以由實驗來定 本設(shè)計中這兩個電阻為 470Ω 和 1K。 另外， 在 RS485 信號輸出端串聯(lián)了兩個10Ω 的電阻 ， 這樣本 節(jié)點 的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，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)計時，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的反射 。 由于 RS485 芯 片的特性，接收器的檢測靈敏度為 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 端電位差的絕對值小于 200mV 時，輸出為不確定。如在總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器輸出邏輯 0，這會誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的辦法是使 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，單片機就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在 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問題。 由 于本設(shè)計的溫度 測控節(jié)點的 RS485 傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因為雷擊等原因引入過電壓。而 RS485 收發(fā)器工作電壓較低 5V 左右，其本身耐壓也非常低，一旦過壓引入，就會擊穿損壞 。因此防雷擊保護成為 RS485 口設(shè)計必須要考慮的。 在本設(shè)計中 RS485 電路加入了防雷擊，承受浪涌沖擊，過流保護的功能，可以滿足戶外布線。該 RS485 保護電路中主要采用了 TVS 半導(dǎo)體保護器件和自恢復(fù)保險絲， 其中 TVS 管具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點。由于 器件正常工作時 RS485 驅(qū)動電流約為 30 mA，短路時總線電流超過 300mA，所以 自恢復(fù)保險絲 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，感應(yīng)過電壓由 RS485A 和 485B 線引入，電路中 D20 是作為初級共模防護，通常可以承受10KV 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 作為二級保護進(jìn)行共?；虿钅１Ｗo，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)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 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 高速開關(guān) 二極 管 1N4148反向接入 RS485 電源和 RS485 地來實現(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， RS485A 和 RS485B線上的自恢復(fù)保險絲可以提供短路保護。 圖 310 RS485保護 電路 顯示 電路 顯示部分的 任務(wù) 是顯示 采集 現(xiàn)場的溫度，由于單片機的 I/O 口資源豐富，從性價比考慮，選用四位一體的共陽數(shù)碼管，驅(qū)動部分采用 8550 達(dá)靈頓管 ，單片機對其進(jìn)行動態(tài)掃描顯示 。具體電路如圖 311 所示。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 14 圖 311 數(shù)碼管顯示電路 硬件抗干擾的設(shè)計 一個完善的硬件設(shè)計，不 僅能實現(xiàn)預(yù)定 的功能，還要對外界的擾動有一定的防御能力 以確保系統(tǒng)能夠可靠安全的運行。 一般來說干擾形成必須具備三個條件 ： 干擾源、傳輸?shù)耐ǖ酪约皩Ω蓴_問題敏感的接收電路。對于本系統(tǒng)來說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，布局等對各種芯片精度的影響；工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜，磁場干擾，電網(wǎng)的波動，市電的工頻干 擾，可以通過電源變壓器分布電容和各種電磁路徑對測控系統(tǒng)產(chǎn)生影響； 通過信號通道串入的外部電氣信號對系統(tǒng)內(nèi)部電氣信號的影響。 針對以上干擾，本系統(tǒng)主要采用了如下的抗干擾設(shè)計 。第一， 地的處理 。 浮地、屏 蔽接地 ： 把 節(jié)點 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。由于強電設(shè)備采用保護接地，浮空技術(shù)切斷了強電與弱電的聯(lián)系，系統(tǒng)運行安全 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)字地和模擬地分開布置：在線路設(shè)計中，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 。為抑制電源輸出紋波，在每個電源的輸出端都并入一個吸收低頻干擾的大容量電解電容和一個吸收高頻 干擾的無源電容。每個集成電路旁放置一個去 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 。將電路板數(shù)字、模擬信號分區(qū) ； 晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定 ； 雙面板布線時，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 ； 電路板布線時避免90176。 折線，減小高頻噪聲發(fā)射 ： 電路板上每個芯片要并接一個 104 高頻電容，減小芯基于 Modbus 協(xié)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 15 片對電源的影響 ； I/O 驅(qū)動器件，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 時采集板和顯示板外圍用地線構(gòu)成閉環(huán)路，來減少電位差 ； 給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷電時產(chǎn)生的反電動勢。 第四， 信號通道抗干擾設(shè)計 。系統(tǒng)內(nèi)外的信號流主要是通過 RS485通道傳輸，為了避免外部電氣信號的干擾，在 485 接口電路中采用了光藕芯片，使得內(nèi)外電氣信號隔離連接，信號通過光路進(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程通道進(jìn)入主機 ； 信號傳輸線采用雙絞線，使得各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾有一定的抑制作用。 基于 Modbus 協(xié)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 16 4 Modbus 協(xié) 議 概述與應(yīng)用 本章是對 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，錯誤檢測方法， Modbus消息幀等。通過本章對 Modbus 協(xié)議系統(tǒng)分析研究，為基于 Modbus 協(xié)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 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求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，制定了消息域格式和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一個 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個采集器必須知道自己的設(shè)備地址，根據(jù)地址識別消息的歸屬，決定執(zhí)行何種功能。如果需要回應(yīng)，采集器將生成報文并以 Modbus 協(xié)議幀方式發(fā)送報文。 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)請求， Master 端也可以直接發(fā)消息修改 Slave 端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。 Modbus 協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外， ASCll 模式主要采用 LRC 校驗， RTU 模式主要采用 16 位 CRC 校驗。 Modbus 是 OSI 模型第 7 層上的應(yīng)用層報文傳輸協(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 以通過下列三種方式實現(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)議的溫度測控節(jié)點的設(shè)計 17 Modbus 數(shù)據(jù)單元 Modbus 協(xié)議定義了一個與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(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 Modbus 事務(wù)處理的客戶機創(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)點地址。合法的子節(jié)點地址為十進(jìn)制0 至 247。每個子設(shè)備被賦予 1 至 247 范圍中的地址。主節(jié)點通過 將子節(jié)點的地址放到報文的地址域?qū)ψ庸?jié)點尋址。當(dāng)子節(jié)點返回應(yīng)答時， 它將自己的地址放到應(yīng)答報文的地址域以讓主節(jié)點知道哪個子節(jié)點在回答。功能碼指明服務(wù)器要執(zhí)行的動作。功能碼后面可跟有表示含有請求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。錯誤檢驗域是對報文內(nèi)容執(zhí)行 “ 冗余校驗 ” 的計算結(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、運動采集、 UO 設(shè)備等 ） 都能使用 Modbus 協(xié)議來啟動遠(yuǎn)程操作，同樣的通信能夠在串行鏈