基于modbus协议的温度测控节点的设计,毕业论文,毕业设计,温度测控,modbus协议

基于modbus协议的温度测控节点的设计,毕业论文,毕业设计,温度测控,modbus协议内容摘要：

欧姆左右， 在 电流约 于 200mA 即可 启动 ， 所以 在继电器线圈上串联 100 欧姆的限流电阻 ，目的 是 为 防止继电器吸合时，线圈发热。 二极管 1N1007 的作用是保护晶体管。 当继电器吸合时，二极管截止，不影响电路工作。 继电器释放时，由于继电器线圈存在电感， 这时 晶体管已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。 这个电压 的极性是上负下正，正端接在晶体管的发射机。 当感应电压与 5V 之和大于晶体管的发射节向耐压时，晶体管就可能损 坏。 加入二极管后，继电器线圈产生的感应电 流由二极管流过，因此不会产生很高的感应电压，晶体管就得到了保护，从而保证了电路的可靠性。 图 37 继电器控制电路 通讯 电路 为实现现场组网控制和方便上位机完成现场数据采集和各种控制任务，该设计提供了两种通信接 口： RS485 接口 和 RS232 接口。 RS232 主要用来实现一对一的通信方式，即温度测控节点和上位机的通讯，而 RS485 则可用来完成节点组网通信。 其中 RS232 通讯电路 采用 MAX232 芯片 ， 它是 专门为电脑 的 RS232 标准串口设计的单电源电平转换芯片 ,使用 +5v 单电源供电。 具体 RS232 通讯电路 如 图 38所示。 基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 11 图 38 RS232通讯 电路 由于实际应用系统中，往往分散控制单元数量较多，分布较远，现场存在各种干扰，使得实际工程应用中如何保障 RS485 总 线 通信的可靠性成为 一个 棘手的 问题。 在使用 RS485 总线时 ， 如 果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可能有以下两个问题出现。 一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下，一个节点的故障 如死机 ，往往会使得整个系统的通信框架崩溃，给故障的排查带来困难。 由于应用系统中， 上位机 与分 节点 相隔较远，通信 线路的总长度往往超过 几百 米，而分 节点 系 统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。 如果在此时某个 分节点的 RS485芯片 DE 端电位为 “ 1” ，那么它 在 RS485 总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分 节点 就 无法与 主机进行通信。 这种情况尤其表现在某个分节点 出现异常情况下 如 死机 ，会使整个系统通信崩溃。 因此在电路设计时，应保证系统上电复位时 每个分节点的 485 芯片 的 DE 端电位为 “ 0”。 在 单片机 在复位期间，其 I/O 口输出高电平， 此时 光电隔离的输出端为低电平， 485 芯片的 DE 端为低电平，节点处于接收状态， 故 电 路的接法有效地解决复位期间 分节点“咬” 总线的问题。 除 了上述总线逻辑问题需要解决外，还要对 RS485 总线输出 电路的参数进行精心设置。 由于要对现场 温度 情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较高 ， 通常都在 4800 波特以上。 限制通信波特率提高的瓶颈，并不是现场的导线，而是 RS485 与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上。 在本 电路设计采用 了 高速光耦，如 6N13 HCPL2530 等芯片。 另外通过 优化 光耦电路参数的设计， 可以 使之能工作最佳状态。 例如限流电阻和上拉电阻 如果选取得较大，将会 使光耦的发光管由截止进基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 12 入 饱和变得较慢 ； 如果选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异，通常可以由实验来定 本设计中这两个电阻为 470Ω 和 1K。 另外， 在 RS485 信号输出端串联了两个10Ω 的电阻 ， 这样本 节点 的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。 在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体 一般 是双绞线 加屏蔽层，双绞线 的特性阻抗为 120Ω左右，所以线路设计时，在 RS485 网络传输线的始端和末端各应接 1 只 120Ω 的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射。 由于 RS485 芯 片的特性，接收器的检测灵敏度为 177。 200mV，即差分输入端 VA－ VB ≥ +200mV，输出逻辑 1； VA－ VB ≤－200mV，输出逻辑 0。 而 A、 B 端电位差的绝对值小于 200mV 时，输出为不确定。 如在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑 0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。 解决这个问题的办法是使 A 端电位高于 B 两端电位，这样 RXD 的电平在 485 总线不发送期间呈现唯一的高电平，单片机就不会被误中断而收到乱字符。 通过在 485 电路的 A、 B 输出端加接上拉、下拉电阻，即可很好地解决这个问题。 由 于本设计的温度 测控节点的 RS485 传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。 而 RS485 收发器工作电压较低 5V 左右，其本身耐压也非常低，一旦过压引入，就会击穿损坏。 因此防雷击保护成为 RS485 口设计必须要考虑的。 在本设计中 RS485 电路加入了防雷击，承受浪涌冲击，过流保护的功能，可以满足户外布线。 该 RS485 保护电路中主要采用了 TVS 半导体保护器件和自恢复保险丝， 其中 TVS 管具有响应速度快，可靠性高的优点。 由于 器件正常工作时 RS485 驱动电流约为 30 mA，短路时总线电流超过 300mA，所以 自恢复保险丝 采 300mA/60V，从而可以推出 RS485 总线上的 10 欧姆的串联电阻应选用 1W。 当雷击发生时，感应过电压由 RS485A 和 485B 线引入，电路中 D20 是作为初级共模防护，通常可以承受10KV 浪涌冲击，使之后残压已经降低到 1KV 以下，然后 TVS 管 D1 D D14和 D15 作为二级保护进行共模或差模保护，从而电压被钳制在 12V 以下，保证电路防雷击，抗浪涌的功能。 基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 13 图 39 RS485转换 电路 在 RS485 收发器之后还加入了电压钳位电路，采用四个 高速开关 二极 管 1N4148反向接入 RS485 电源和 RS485 地来实现，从而把 RS485 总线输入收发器之前的电压限制在 到 之间。 当 RS485 总线与电力线搭接短路时， RS485A 和 RS485B线上的自恢复保险丝可以提供短路保护。 图 310 RS485保护 电路 显示 电路 显示部分的 任务 是显示 采集 现场的温度，由于单片机的 I/O 口资源丰富，从性价比考虑，选用四位一体的共阳数码管，驱动部分采用 8550 达灵顿管 ，单片机对其进行动态扫描显示。 具体电路如图 311 所示。 基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 14 图 311 数码管显示电路 硬件抗干扰的设计 一个完善的硬件设计，不 仅能实现预定 的功能，还要对外界的扰动有一定的防御能力 以确保系统能够可靠安全的运行。 一般来说干扰形成必须具备三个条件 ： 干扰源、传输的通道以及对干扰问题敏感的接收电路。 对于本系统来说主要的干扰因素如下：系统内部电路板布线的合理性，元器件的选择，布局等对各种芯片精度的影响；工业环境的复杂，磁场干扰，电网的波动，市电的工频干 扰，可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测控系统产生影响； 通过信号通道串入的外部电气信号对系统内部电气信号的影响。 针对以上干扰，本系统主要采用了如下的抗干扰设计。 第一， 地的处理。 浮地、屏 蔽接地 ： 把 节点 的数字地与模拟地浮空，而系统设备外壳采用屏蔽接地。 浮地方式可使微机系统不受大地电流的影响，提高了系统的抗干扰能力。 由于强电设备采用保护接地，浮空技术切断了强电与弱电的联系，系统运行安全 可靠。 系统设备外壳采用屏蔽接地，可防止静电干扰和电磁感应干扰。 数字地和模拟地分开布置：在线路设计中，将所有器件的数字地和模拟地分别相连，但数字地与模拟地仅在一点相连。 这样可有效防止地线公共阻抗干扰。 第二 ： 电源电路抗干扰设计。 为抑制电源输出纹波，在每个电源的输出端都并入一个吸收低频干扰的大容量电解电容和一个吸收高频 干扰的无源电容。 每个集成电路旁放置一个去 耦 电容，且 .尽可能靠近集成电路，引线短而粗。 第三， 电路板设计。 将电路板数字、模拟信号分区 ； 晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定 ； 双面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交或弯曲走线，避兔相互平行，以减少寄生 耦合 ； 电路板布线时避免90176。 折线，减小高频噪声发射 ： 电路板上每个芯片要并接一个 104 高频电容，减小芯基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 15 片对电源的影响 ； I/O 驱动器件，功率放大器件尽量靠近印制板的边缘，靠近接插件 ；在没有布置器件的地方尽量覆和地线相连的铜网，以便于散热，同 时采集板和显示板外围用地线构成闭环路，来减少电位差 ； 给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动势。 第四， 信号通道抗干扰设计。 系统内外的信号流主要是通过 RS485通道传输，为了避免外部电气信号的干扰，在 485 接口电路中采用了光藕芯片，使得内外电气信号隔离连接，信号通过光路进行传递，能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，从而能有效地防止干扰从过程通道进入主机 ； 信号传输线采用双绞线，使得各个小环路的电磁感应干扰相抵消，对电磁场干扰有一定的抑制作用。 基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 16 4 Modbus 协 议 概述与应用 本章是对 Modbus 协议的概述， 主要介绍了 ： Modbus 协议结构 ， Modbus 数据单元， Modbus 通信网络， Modbus 通信原理， Modbus 传输方式，错误检测方法， Modbus消息帧等。 通过本章对 Modbus 协议系统分析研究，为基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 提供理论依据。 Modbus 协议概述 总体描述 Modbus 协议是工业控制系统采用的一种通用协议。 通过此协议，采集器相互之间、采集器经由网络 (例如以太网 )和其它设备之间可以通信，己经成为一种通用 工业标准。 不同厂商生产的采集设备可以通过协议连成工业网络，进行集中监控。 Modbus协议描述了一采集器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域格式和内容的公共格式。 当在一个 Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个采集器必须知道自己的设备地址，根据地址识别消息的归属，决定执行何种功能。 如果需要回应，采集器将生成报文并以 Modbus 协议帧方式发送报文。 Modbus 协议包括 ASCll、 RTU、 TCP 等协议，标准的 Modbus 采集器使用 RS232 实现串行通讯。 Modbus 的 ASCll、 RTU 协议规定了消息、命令和应答的方式，数据通讯采用 Maser/Slave 方式， Master 端发出数据请求消息， Slave 端接收到正确消息后就可以发送数据到 Master 端以响应请求， Master 端也可以直接发消息修改 Slave 端的数据，实现双向读写。 Modbus 协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外， ASCll 模式主要采用 LRC 校验， RTU 模式主要采用 16 位 CRC 校验。 Modbus 是 OSI 模型第 7 层上的应用层报文传输协议，它在连接不同类型网络的设备之间提供数据的通信。 目前，可 以通过下列三种方式实现 Modbus 通信： （ 1） 以 太网上的 TCP/IP （ 2） 各 种 介质 如 RS232， RS422， RS485，光纤，无线 等 串行传输 （ 3） 一 种高速令牌传递网络 基于 Modbus 协议的温度测控节点的设计 17 Modbus 数据单元 Modbus 协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元 （即 PDU） ，特定总线或网络上的 Modbus 协议映射能够在应用数据单元 （即 ADU） 上引入一些附加域，通用 MonBus 帧如图所示。 启动 Modbus 事务处理的客户机创建 ModbusPDU，其中的功能码向服务器指示将执行哪种操作，功能码后面是含有请求和响应参数的数据 域。 在 Modbus 串行链路，地址域只含有子节点地址。 合法的子节点地址为十进制0 至 247。 每个子设备被赋予 1 至 247 范围中的地址。 主节点通过 将子节点的地址放到报文的地址域对子节点寻址。 当子节点返回应答时， 它将自己的地址放到应答报文的地址域以让主节点知道哪个子节点在回答。 功能码指明服务器要执行的动作。 功能码后面可跟有表示含有请求和响应参数的数据域。 错误检验域是对报文内容执行 “ 冗余校验 ” 的计算结果。 根据不同的传输模式 (RTU 或 ASCII)使用两种不同的计算方法。 图 41 通用 Modbus帧 Modbus 通信原理 Modbus 协议可以方便地在各种网络体系结构内进行通信，每种设备 （ PLC， HMI、采集面板、变频器、运动采集、 UO 设备等 ） 都能使用 Modbus 协议来启动远程操作，同样的通信能够在串行链。