一種基于Modbus協議的工業控制模塊

萬偉軍, 吳一鳴

1.江蘇聯合職業技術學院 無錫機電分院 江蘇無錫 214000 2.中國船舶重工集團公司 第七○三研究所無錫分部 江蘇無錫 214000

1 設計背景

傳統工業控制系統中,常用可編程序控制器控制步進驅動器或伺服驅動器,進而實現運動控制。但是,可編程序控制器較難實現復雜的運動軌跡控制。隨著嵌入式技術日趨完善,各類ARM處理器在工業控制中被廣泛應用。筆者應用ARM STM32F407芯片,基于Modbus協議設計了一種工業控制模塊[1-2]。這一模塊具有數字量輸入采集、數字量輸出控制和高速脈沖輸出功能,能夠通過內部程序來控制步進驅動器或伺服驅動器,實現復雜的運動軌跡控制。

2 硬件設計

所設計的工業控制模塊結構如圖1所示,采用ARM STM32F407芯片作為控制核心,應用MAX485芯片實現RS485通信[3],應用EL357芯片實現輸入信號和輸出信號的隔離[4]。這一工業控制模塊可以接收16位開關型輸入信號,控制7路輸出,能夠實現4路高速脈沖控制。

圖1 工業控制模塊結構

2.1 RS485接口電路

所設計的工業控制模塊有兩路RS485通信接口。RS485接口電路采用MAX485芯片,如圖2所示。電路不發送數據時,TXD1為高電平,三極管Q1導通,RE為低電平使能,RO端接收數據,MAX485芯片處于接收狀態。電路發送數據時,TXD1由高電平變為低電平,時間長短與通信速率有關,三極管Q1截止,MAX485芯片處于發送狀態。

圖2 RS485接口電路

2.2 輸入輸出口

輸入信號電路如圖3所示。EX0為工業控制模塊的開關量輸入信號端。EX0輸入信號經過電路處理后,產生輸出信號X0。X0接ARM STM32F407芯片的引腳,為工業控制模塊內部程序提供輸入信號。采用EL357芯片完成外部設備輸入信號與ARM STM32F407芯片接口信號之間的隔離,提高模塊的抗干擾能力。

圖3 輸入信號電路

輸出信號電路如圖4所示。Signal_Y0為ARM STM32F407芯片引腳所產生的輸出信號。Signal_Y0信號經過電路處理后,變為Out_Y0信號。Out_Y0信號連接輸出驅動電路,產生實際的輸出控制信號。輸出端也采用EL357芯片進行信號隔離。

圖4 輸出信號電路

2.3 高速脈沖信號

所設計的工業控制模塊,其高速脈沖信號直接由ARM STM32F407芯片生成,通過接線端子與外部電路相連。

3 通信方式

這一工業控制模塊基于Modbus 協議的遠程終端(RTU)模式設計,按客戶端模式進行工作。上位機包括觸摸屏、工控機等,可以發送0X01～0X04指令,使輸入端口(X端口)、輸出端口(Y端口)的狀態數據反饋至上位機。上位機也可以使用0X05、0X06、0X0F和0X10指令實現輸出端口通斷控制和模塊內部寄存器數據設定功能。上位機與模塊之間的數據通信采用串口通道接發數據幀來實現。每一個指令都有特定的符合Modbus協議的數據幀格式,數據幀采用Hex編碼。

4 軟件設計

所設計的工業控制模塊,其內部程序可以分為四部分——系統初始化、數據接收、數據分析與執行、數據反饋,其中系統初始化包括端口初始化和通信口初始化[5-7]。

內部程序結構如圖5所示。

模塊通電后,自動進入系統初始化程序,初始化ARM STM32F407芯片各引腳狀態,讀取芯片存儲數據,恢復至前一次斷電前狀態。同時完成模塊的通信參數設置,如將傳輸速率設置為19 200 bit/s等,并開始連續監聽通信口,等待上位機發送控制指令。當上位機發送控制指令數據幀后,模塊讀取數據幀。接收數據幀后,通過循環冗余校驗碼判斷數據是否有效。如果無效,那么程序返回通信口監聽狀態。如果接收數據有效,那么對數據的地址進行判斷。如果發送來的地址與模塊設置的地址不相同,那么程序返回通信口監聽狀態。如果發送來的地址與模塊設置的地址相同,那么模塊程序對發送來的數據幀進行數據分析與提取,對比模塊內部芯片內存中的指令庫,按對比結果執行相應的功能。執行功能完成后,模塊程序將執行結果數據通過通信口以數據幀的格式反饋至上位機。

5 測試

Modbus Poll是一種基于Modbus協議的服務端模擬器[8],可以作為上位機測試和調試客戶端,支持遠程終端模式、美國信息交換標準碼,以及傳輸控制協議和網際協議[9]。筆者將Modbus Poll作為上位機對所設計的工業控制模塊進行測試。模塊接線如圖6所示,通過這一接線,可以實現兩路輸入信號采集和中間繼電器控制。

5.1 輸入測試

二線制傳感器和三線制傳感器都處于工作狀態時,模塊的X0端口和X1端口有高電平輸入。其余X2～X15端口都處于低電平狀態。此時,使用Modbus Poll的Test Center界面輸入數據幀01 02 00 00 00 10 79 C6。其中,01為模塊地址,02表示讀取X端口狀態指令,00 00表示讀取端口起始地址,即X0端口地址,00 10表示一次性讀取16位X端口狀態,79 C6為循環冗余校驗碼[10]。接收到以上數據幀,模塊在執行0X02指令后返回數據幀01 02 02 03 B9 48,其中,01為模塊地址,前一個02表示X端口狀態指令,后一個02表示兩個字節,03表示X0和X1端口有信號,B9 48為循環冗余校驗碼。

圖5 內部程序結構

圖6 模塊接線

5.2 輸出測試

模塊控制中間繼電器KA1線圈通電時,使用Modbus Poll的Test Center界面輸入數據幀01 05 00 00 FF 00 8C 3A,Y0端口輸出高電平,其余Y1～Y6端口為低電平,模塊返回數據幀01 05 00 00 FF 00 8C 3A。返回的數據幀中,01為模塊地址。05表示執行0X05指令,即控制單個輸出端口。00 00表示控制端口為Y0,如需要控制Y1,則數據幀為00 01,依次類推。FF 00表示設置端口為有輸出,如果需要設置端口為無輸出,則數據幀為00 00。8C 3A為循環冗余校驗碼。執行Y0輸出指令后,中間繼電器KA1線圈得電,其觸點狀態發生改變。如果模塊控制KA1線圈失電,則所發送的數據幀為01 05 00 00 00 00 CD CA。

5.3 高速脈沖控制

當需要有高速脈沖時,上位機使用0X06或0X10指令設置數據。發送和接收數據的過程與使用0X02、0X05指令過程類似,此處不再詳述。

6 應用案例

應用所設計的工業控制模塊進行十字滑臺電氣控制,電氣控制原理如圖7所示。將所設計的工業控制模塊作為核心控制器件,采集十字滑臺傳感器信號、按鈕信號,控制步進驅動器,進而完成對步進電機的控制。十字滑臺X軸、Y軸的前后端限位傳感器信號與模塊的X0、X1、X2、X3輸入端口相連,防止滑臺機械行程超限。-S1啟動按鈕和-S2停止按鈕與模塊的X16、X17輸入端口相連,為模塊提供啟動和停止信號。模塊的Y0輸出端口與十字滑臺X軸步進驅動器的EN+端相連,控制X軸步進驅動器工作。模塊的Y1輸出端口與十字滑臺Y軸步進驅動器的EN+端相連,控制Y軸步進驅動器工作。模塊的A_DIR和A_PUL高速脈沖輸出端口向X軸步進驅動器提供控制信號,實現十字滑臺X軸的運動控制。模塊的D_DIR和D_PUL高速脈沖輸出端口向Y軸步進驅動器提供控制信號,實現十字滑臺Y軸的運動控制。模塊具有兩路RS485通信總線,一路與觸摸屏相連。通過觸摸屏,可以設置步進驅動器的X軸、Y軸行程,實時顯示X軸和Y軸前后端傳感器狀態、電機運行距離、運行次數等參數。通過觸摸屏上的啟動和停止按鈕,能夠控制十字滑臺啟動和停止。另一路RS485通信總線可與其它設備相連,用于實現功能擴展。

圖7 十字滑臺電氣控制原理

進行十字滑臺電氣控制時,點擊觸摸屏上的啟動按鈕或按下-S1按鈕,工業控制模塊根據觸摸屏設定的軌跡來控制單個步進驅動器或協調控制兩個步進驅動器實現十字滑臺的復雜軌跡運行。點擊觸摸屏上的停止按鈕或按下-S2按鈕,工業控制模塊通過內部程序使十字滑臺停止運行。

7 結束語

筆者應用ARM STM32F407芯片,基于Modbus協議設計了一種工業控制模塊。ARM STM32F407芯片具有強大的邏輯運算能力,通過編寫不同程序能快速實現出入與輸出之間復雜的邏輯控制,適用于較為煩瑣的控制場合。通過十字滑臺電氣控制應用案例分析,確認所設計的工業控制模塊具有較高的實用價值。