一种基于Modbus协议的工业控制模块

2019-09-17万伟军吴一鸣

上海电气技术 2019年3期

万伟军, 吴一鸣

1.江苏联合职业技术学院无锡机电分院江苏无锡 214000 2.中国船舶重工集团公司第七○三研究所无锡分部江苏无锡 214000

1 设计背景

传统工业控制系统中,常用可编程序控制器控制步进驱动器或伺服驱动器,进而实现运动控制。但是,可编程序控制器较难实现复杂的运动轨迹控制。随着嵌入式技术日趋完善,各类ARM处理器在工业控制中被广泛应用。笔者应用ARM STM32F407芯片,基于Modbus协议设计了一种工业控制模块[1-2]。这一模块具有数字量输入采集、数字量输出控制和高速脉冲输出功能,能够通过内部程序来控制步进驱动器或伺服驱动器,实现复杂的运动轨迹控制。

2 硬件设计

所设计的工业控制模块结构如图1所示,采用ARM STM32F407芯片作为控制核心,应用MAX485芯片实现RS485通信[3],应用EL357芯片实现输入信号和输出信号的隔离[4]。这一工业控制模块可以接收16位开关型输入信号,控制7路输出,能够实现4路高速脉冲控制。

图1 工业控制模块结构

2.1 RS485接口电路

所设计的工业控制模块有两路RS485通信接口。RS485接口电路采用MAX485芯片,如图2所示。电路不发送数据时,TXD1为高电平,三极管Q1导通,RE为低电平使能,RO端接收数据,MAX485芯片处于接收状态。电路发送数据时,TXD1由高电平变为低电平,时间长短与通信速率有关,三极管Q1截止,MAX485芯片处于发送状态。

图2 RS485接口电路

2.2 输入输出口

输入信号电路如图3所示。EX0为工业控制模块的开关量输入信号端。EX0输入信号经过电路处理后,产生输出信号X0。X0接ARM STM32F407芯片的引脚,为工业控制模块内部程序提供输入信号。采用EL357芯片完成外部设备输入信号与ARM STM32F407芯片接口信号之间的隔离,提高模块的抗干扰能力。

图3 输入信号电路

输出信号电路如图4所示。Signal_Y0为ARM STM32F407芯片引脚所产生的输出信号。Signal_Y0信号经过电路处理后,变为Out_Y0信号。Out_Y0信号连接输出驱动电路,产生实际的输出控制信号。输出端也采用EL357芯片进行信号隔离。

图4 输出信号电路

2.3 高速脉冲信号

所设计的工业控制模块,其高速脉冲信号直接由ARM STM32F407芯片生成,通过接线端子与外部电路相连。

3 通信方式

这一工业控制模块基于Modbus 协议的远程终端(RTU)模式设计,按客户端模式进行工作。上位机包括触摸屏、工控机等,可以发送0X01～0X04指令,使输入端口(X端口)、输出端口(Y端口)的状态数据反馈至上位机。上位机也可以使用0X05、0X06、0X0F和0X10指令实现输出端口通断控制和模块内部寄存器数据设定功能。上位机与模块之间的数据通信采用串口通道接发数据帧来实现。每一个指令都有特定的符合Modbus协议的数据帧格式,数据帧采用Hex编码。

4 软件设计

所设计的工业控制模块,其内部程序可以分为四部分——系统初始化、数据接收、数据分析与执行、数据反馈,其中系统初始化包括端口初始化和通信口初始化[5-7]。

内部程序结构如图5所示。

模块通电后,自动进入系统初始化程序,初始化ARM STM32F407芯片各引脚状态,读取芯片存储数据,恢复至前一次断电前状态。同时完成模块的通信参数设置,如将传输速率设置为19 200 bit/s等,并开始连续监听通信口,等待上位机发送控制指令。当上位机发送控制指令数据帧后,模块读取数据帧。接收数据帧后,通过循环冗余校验码判断数据是否有效。如果无效,那么程序返回通信口监听状态。如果接收数据有效,那么对数据的地址进行判断。如果发送来的地址与模块设置的地址不相同,那么程序返回通信口监听状态。如果发送来的地址与模块设置的地址相同,那么模块程序对发送来的数据帧进行数据分析与提取,对比模块内部芯片内存中的指令库,按对比结果执行相应的功能。执行功能完成后,模块程序将执行结果数据通过通信口以数据帧的格式反馈至上位机。

5 测试

Modbus Poll是一种基于Modbus协议的服务端模拟器[8],可以作为上位机测试和调试客户端,支持远程终端模式、美国信息交换标准码,以及传输控制协议和网际协议[9]。笔者将Modbus Poll作为上位机对所设计的工业控制模块进行测试。模块接线如图6所示,通过这一接线,可以实现两路输入信号采集和中间继电器控制。

5.1 输入测试

二线制传感器和三线制传感器都处于工作状态时,模块的X0端口和X1端口有高电平输入。其余X2～X15端口都处于低电平状态。此时,使用Modbus Poll的Test Center界面输入数据帧01 02 00 00 00 10 79 C6。其中,01为模块地址,02表示读取X端口状态指令,00 00表示读取端口起始地址,即X0端口地址,00 10表示一次性读取16位X端口状态,79 C6为循环冗余校验码[10]。接收到以上数据帧,模块在执行0X02指令后返回数据帧01 02 02 03 B9 48,其中,01为模块地址,前一个02表示X端口状态指令,后一个02表示两个字节,03表示X0和X1端口有信号,B9 48为循环冗余校验码。

图5 内部程序结构

图6 模块接线

5.2 输出测试

模块控制中间继电器KA1线圈通电时,使用Modbus Poll的Test Center界面输入数据帧01 05 00 00 FF 00 8C 3A,Y0端口输出高电平,其余Y1～Y6端口为低电平,模块返回数据帧01 05 00 00 FF 00 8C 3A。返回的数据帧中,01为模块地址。05表示执行0X05指令,即控制单个输出端口。00 00表示控制端口为Y0,如需要控制Y1,则数据帧为00 01,依次类推。FF 00表示设置端口为有输出,如果需要设置端口为无输出,则数据帧为00 00。8C 3A为循环冗余校验码。执行Y0输出指令后,中间继电器KA1线圈得电,其触点状态发生改变。如果模块控制KA1线圈失电,则所发送的数据帧为01 05 00 00 00 00 CD CA。

5.3 高速脉冲控制

当需要有高速脉冲时,上位机使用0X06或0X10指令设置数据。发送和接收数据的过程与使用0X02、0X05指令过程类似,此处不再详述。

6 应用案例

应用所设计的工业控制模块进行十字滑台电气控制,电气控制原理如图7所示。将所设计的工业控制模块作为核心控制器件,采集十字滑台传感器信号、按钮信号,控制步进驱动器,进而完成对步进电机的控制。十字滑台X轴、Y轴的前后端限位传感器信号与模块的X0、X1、X2、X3输入端口相连,防止滑台机械行程超限。-S1启动按钮和-S2停止按钮与模块的X16、X17输入端口相连,为模块提供启动和停止信号。模块的Y0输出端口与十字滑台X轴步进驱动器的EN+端相连,控制X轴步进驱动器工作。模块的Y1输出端口与十字滑台Y轴步进驱动器的EN+端相连,控制Y轴步进驱动器工作。模块的A_DIR和A_PUL高速脉冲输出端口向X轴步进驱动器提供控制信号,实现十字滑台X轴的运动控制。模块的D_DIR和D_PUL高速脉冲输出端口向Y轴步进驱动器提供控制信号,实现十字滑台Y轴的运动控制。模块具有两路RS485通信总线,一路与触摸屏相连。通过触摸屏,可以设置步进驱动器的X轴、Y轴行程,实时显示X轴和Y轴前后端传感器状态、电机运行距离、运行次数等参数。通过触摸屏上的启动和停止按钮,能够控制十字滑台启动和停止。另一路RS485通信总线可与其它设备相连,用于实现功能扩展。