自动化课件（全套课件210p）

第二章计算机控制系统的硬件基础 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 如图2 1所示 图2 1 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 计算机控制系统硬件设计与集成 设计 MCU基本系统设计 过程通道接口设计 人机交互单元设计 网络通讯接口单元设计 电源系统设计的系统综合 集成 MCU基本系统 过程通道接口 人机交互单元 网络通讯接口单元 电源系统的选择与集成设计 2 1 1计算机控制系统的基础单元 MCU基本系统 MCU 数据存储器 程序存储器 中断及中断管理 定时计数器 通用I O接口 专用接口 A D D A PWM I2C SPI UART CAN LAN等 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 2 1 1计算机控制系统的基础单元 MCU 微处理单元 设计选择MCU的约束 计算处理能力 专业计算功能 内部资源配置 中断处理及服务能力 I O接口配置 通用 专用接口 内部存储资源 外部扩展能力 MCU架构 支持嵌入式操作系统与否 EMI能力等 存储器 程序存储器 数据存储器 动态 静态 内部 外部存储器 设计中 根据数据任务的类型设计 选择传感器器件和电路 接口设计 是后续课程的重点 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 2 1 2过程通道与接口 过程通道 与工业现场被控对象 系统互动的专用接口电路 包括 模拟量输入 开关量输入 脉冲量输入 模拟量输出 开关量输出 脉冲量输出 前向通道 模拟量输入 开关量输入 脉冲量输入 后向通道 模拟量输出 开关量输出 脉冲量输出 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 2 1 3人机交互接口 人机交互 显示 声光报警 操作单元 键盘 触摸屏 操作台 信息扫描输入单元 打印机 2 1 4网络通讯接口 计算机控制系统的上 下行信息通道 下行通讯接口 与智能传感器 智能执行机构 下机控制系统信息交互的通道 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 2 1 4网络通讯接口 上行通讯接口 与上级控制系统 管理系统 监控系统等的信息交互通道 包括 各种类型的现场总线 MODBUS PROFIBUS CAN LONWORK HART FF等 工业以太网 IEE488仪表总线等 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 2 1 5电源系统 电源系统 保障计算机控制系统各单元运行的独立电源组 计算机控制系统内部核心与现场测控单元 从抗干扰和抗冲击保护的要求需要进行电气隔离 隔离后的接口电路之间通常也需进行电气隔离 2 1计算机控制系统的基本硬件基础 过程通道 模拟量输入 开关量输入 脉冲量输入 模拟量输出 开关量输出 脉冲量输出 MCU CPU组成的微机核心与过程通道的接口设计方式 1 过程通道测控接口 通用I O 2 过程通道测控接口 MCU内置I O 2 2过程通道与接口设计 MCU CPU对过程通道I O的寻址方式 1 查询方式 无条件查询 有条件查询 2 中断方式 过程通道接口外部出发MCU CPU中断 过程通道利用MCU的内部中断资源 如A D D A PWM等 2 2过程通道与接口设计 工控系统的 数字量 计算机控制系统外部装置通过计算机的I O接口输入到计算机的数字信号 开关量信号 开关量 只有两个状态 开 关 高电平 低电平 逻辑上为0 1 的状态信号 开关量传感器 光电开关 接近开关 行程开关 限位开关 温度开关 压力开关 液位开关 流量开关 控制按钮等 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2过程通道与接口设计 开关量输入传感器的特点 通常具有机械抖动 通常远离计算机控制主机 可能耦合抢点信号 输入形式多样化 机械触点 电信号 电压式 电流式 有源 无源PNP NPN式 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 2 2过程通道与接口设计 如图2 2 1所示 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 图2 2 1 机械触电开关 有源 无源 2 2过程通道与接口设计 开关量输入电路设计须解决的问题 信号的电气隔离 信号的区抖动 输入信号类型的适应与匹配 与MCU CPU的数据接口方式 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 2 2过程通道与接口设计 隔离方式 继电器隔离 光电隔离 如图2 2 2所示 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 图2 2 2 继电器隔离 光耦 光电隔离 2 2过程通道与接口设计 信号去抖 硬件去抖 软件去抖 如图2 2 3所示 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 2 2过程通道与接口设计 信号去抖 硬件去抖 软件去抖 如图2 2 3所示 2 2 1数字量量输入输出通道设计 2 2 1 1开关量输入接口设计 图2 2 3 2 2过程通道与接口设计 典型开关量输入电路 如图2 2 4所示 2 2 1 1开关量输入接口设计 图2 2 4 2 2过程通道与接口设计 输入接口与信号匹配 如图2 2 5所示 2 2 1 1开关量输入接口设计 触电式开关信号 图2 2 5 2 2过程通道与接口设计 输入接口与信号匹配 如图2 2 5所示 2 2 1 1开关量输入接口设计 图2 2 5 无源信号 2 2过程通道与接口设计 MCU CPU的开关量数据采集 信号中断模式 接口查询模式 如图2 2 6所示 2 2 1 1开关量输入接口设计 2 2过程通道与接口设计 脉冲量 以频率或计数值为测量参数并用之表征 计量的工业参数 常见传感器 涡轮流量传感器 光电码盘 涡街流量传感器 流量计 电磁流量计 超声波流量计 的外输脉冲信号 计数开关类传感器 光电开关等 V F变换器等 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 1 信号隔离 须注意光藕的频率特性与测量信号匹配 通常设计上采用高速光藕 1M以上 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 2 信号的去抖与抗干扰 去抖方法 硬件方法 RC滤波 RC滤波 比较器 RC滤波 施密特触发器等 如图2 2 7所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 2 信号的去抖与抗干扰 去抖方法 硬件方法 RC滤波 RC滤波 比较器 RC滤波 施密特触发器等 如图2 2 7所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 2 信号的去抖与抗干扰 去抖方法 硬件方法 RC滤波 RC滤波 比较器 RC滤波 施密特触发器等 如图2 2 7所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 2 信号的去抖与抗干扰 去抖方法 软件方法 单位时间计数 程序判断 依据测量信号的自身规律特性 量程 变化规律等 3 计数方式选择 硬件计数器 外部计数器件 MCU计数器 软计数器 利用MCU的I O接口 中断输入接口由软件利用查询方式或中断方式软件计数 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 4 输入接口匹配 信号形式 有源电信号 无源信号 机械触点 PNP NPN式输入 典型匹配接口 如图2 2 8所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 4 输入接口匹配 信号形式 有源电信号 无源信号 机械触点 PNP NPN式输入 典型匹配接口 如图2 2 8所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 4 输入接口匹配 信号形式 有源电信号 无源信号 机械触点 PNP NPN式输入 典型匹配接口 如图2 2 8所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 2脉冲量输入接口设计 脉冲量测量接口设计要解决的问题 5 MCU CPU的测量方法 1 定时周期的确定 2 注意解决计数器溢出问题 3 中断式软测量方法要考虑软件去抖和抗干扰问题 4 查询式软测量 查询频率要高于信号频率 2倍以上 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 3开关量输出接口设计 开关量输出接口的控制对象 运行状态控制 外部设备的 起 停 控制 电磁阀 电动执行器 接触器 固态继电器 双向可控硅模块等 PID控制 时间比例 控制方式的控制输出 如图2 2 9所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 3开关量输出接口设计 开关量输出接口设计中要解决的问题隔离 光电隔离 继电器隔离 典型电路如图2 2 10所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 3开关量输出接口设计 开关量输出接口设计中要解决的问题驱动 继电器驱动 固态继电器驱动 双向可控硅驱动 如图2 2 11所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 3开关量输出接口设计 开关量输出接口设计中要解决的问题抗干扰方法 高速刷新输出锁存器接口 避免外部电磁干扰修改锁存器产生实际输出 刷新周期 小于20ms 2 2 1 4脉冲量输出接口设计 脉冲量输出 电力电子设备的驱动信号 计量信号脉冲输出 接口设计须解决的问题 隔离 驱动 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 4脉冲量输出接口设计 几种电力电子脉冲输出驱动接口 如图2 2 12所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 4脉冲量输出接口设计 几种电力电子脉冲输出驱动接口 如图2 2 12所示 2 2过程通道与接口设计 2 2 1 4脉冲量输出接口设计 几种电力电子脉冲输出驱动接口 如图2 2 12所示 2 2过程通道与接口设计 模拟量 经转换便送输入到计算机测量接口的连续变化的电信号 模拟量测量通道的一般组成 如图2 2 13所示 2 2 2模拟量输入通道设计 2 2过程通道与接口设计 信号调理单元 功能 滤波 钳位 限幅 保护 量程转换 典型电路如图2 2 14 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 信号调理单元 功能 滤波 钳位 限幅 保护 量程转换 典型电路如图2 2 14 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 多路转换单元 功能 将待测信号切换到后续测量转换电路中 电路拓扑 如图2 2 15所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 多路转换单元 性能参数 信号量程范围 单极性 双极性 导通电阻 RON 关断电阻 ROFF 信号的频率范围 通道切换频率 理想的多路开关 RON 0 ROFF 对信号频率无限制 切换频率快 典型多路开关器件 CD4051 8 1 CD4052 双4 1 CD4067 16 1 CD4097 双8 1 器件如图2 2 16所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 多路转换单元 典型多路开关器件 CD4051 8 1 CD4052 双4 1 CD4067 16 1 CD4097 双8 1 器件如图2 2 16所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 多路转换单元 差动式多路输入及典型电路 如图2 2 17所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 放大器 程控放大器单元 任务 将待测信号的上限放大到A D的输入上限附近 不要超过A D输入信号的上限 否则A D转化溢出 MUX输入信号量程不统一 MUX后续放大器应为程控放大器 如图2 2 18所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 放大器 程控放大器单元 程控放大器的设计 选用程控放大器件 用OP放大器设计 如图2 2 18 1所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 放大器 程控放大器单元 MUX输入信号的量程一致 MUX后续放大器可采用OP放大器 如图2 2 19所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 放大器 程控放大器单元 MUX输出信号为差动式 后续放大器应选择差动式仪用放大器 为消除MUX模拟开关RON的影响 后续放大器应为 高阻 放大器 如图2 2 20所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 采样保持器 任务 将输入信号F t 在采样时刻采集并保持 F KT 以保障A D转换任务的稳定执行 器件 采样保持器 其间原理如图2 2 21所示 目前A D器件 MCU中的A D转换环节已将采样保持器内置 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 采样保持器 任务 将输入信号F t 在采样时刻采集并保持 F KT 以保障A D转换任务的稳定执行 器件 采样保持器 其间原理如图2 2 21所示 目前A D器件 MCU中的A D转换环节已将采样保持器内置 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 模数转换单元 任务 将采样输入的模拟电压信号量化为输入成比例的数字量 并编码输出 器件 模数转换器 A D 几个概念 采样 量化 编码 量化单位 量化误差 采样 对连续的在 采样时刻 进行 采集 保持 F t F KT 量化 由模数转换器件将 采样信号 整量化 为与模拟采样信号成正比的数字信号 量化单位为q q AD输入信号的量程上限 2 1 n A D器件的分辨率 A D的位数整量原则 以q为单位 量化 按 四舍五入 原则 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 模数转换单元 量化误差 最大为 q 2 A D的常见类型 根据转换原理分类 逐次逼近式A D 双积分式A D 式A D 一次比较式A D 根据数据接口方式分 并行输出式 串行输出式 根据输出编码方式分 二进制原码输出 二进制补码输出 BCD码输出 根据输入类型分 双极性输入式 单极性输入式 根据分辨率分 8位 10位 12位 16位 20位 24位 312位 412位 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 A D转换器原理 4位D A转换器原理 如图2 2 22所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 A D转换器原理 8位 计数比较式A D 原理 如图2 2 23所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 A D转换器原理 8位逐次逼近式A D原理 如图2 2 24所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 A D转换器原理 双积分式A D原理 如图2 2 25所示 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2过程通道与接口设计 采样测量控制逻辑单元 任务 协同软件实现MCU对模拟量输入通道的数据采集任务 具体包括 多路开关的切换控制 程控放大器的放大增益控制 采样控制 外置采样保持器 外置A D的启动等 2 2 2 1模拟量测量通道的各组成单元 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 模拟信号测量通道的隔离 输入输出两端信号成线性比例变化关系 没有电气连接 2 2过程通道与接口设计 在模拟信号端隔离 隔离元件 隔离放大器 线性光耦 如图2 2 26所示 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 2 2过程通道与接口设计 在模拟信号端隔离 隔离元件 隔离放大器 线性光耦 如图2 2 26所示 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 2 2过程通道与接口设计 在模拟信号端隔离 隔离系统框图如图2 2 27所示 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 2 2过程通道与接口设计 在数字信号端隔离 隔离元件 数字光耦 高速光耦 并行输出A D的隔离方式如图2 2 28所示 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 2 2过程通道与接口设计 在数字信号端隔离 串行输出A D的隔离方式如图2 2 29所示 2 2 2 2模拟量测量通道的信号隔离方法 2 2过程通道与接口设计 标准4 20MA变送器信号的多路采集 如图2 2 30所示 2 2 2 3多路模拟量测量通道的设计 2 2过程通道与接口设计 多路热电偶信号的数据采集 如图2 2 31所示 2 2过程通道与接口设计 多路热电阻信号的数据采集 如图2 2 32所示 2 2过程通道与接口设计 模拟保持 用S H 采样保持器 保持输出 数字保持 用D A锁存器保持输出 2 2 3 1模拟量输出信号的输出保持 2 2 3模拟量输出通道设计 2 2过程通道与接口设计 1 模拟保持式多路模拟量输出 如图2 2 33所示 2 2 3 2多路模拟量输出 图2 2 33 2 2过程通道与接口设计 2 数字保持式多路模拟量输出 如图2 2 34所示 2 2 3 2多路模拟量输出 图2 2 34 2 2过程通道与接口设计 1 在数字信号端隔离 如图2 2 35所示 2 2 3 3模拟量输出通道的信号隔离 图2 2 35 2 2过程通道与接口设计 2 在模拟信号端隔离 如图2 2 36所示 2 2 3 3模拟量输出通道的信号隔离 图2 2 36 2 2过程通道与接口设计 如图2 2 37所示 2 2 3 4模拟量输出通道的V I转换 图2 2 37 2 2过程通道与接口设计 如图2 2 38所示 2 2 3 4模拟量输出通道的V I转换 2 2过程通道与接口设计 目的 提高系统的可靠性 2 2 3 5模拟量输出通道的手 自动复合应用 方案一 手自动无扰动负荷控制 如图2 2 39所示 2 2过程通道与接口设计 2 方案二 冗余式AO输出 如图2 2 40所示 2 2 3 5模拟量输出通道的手 自动复合应用 图2 2 40 2 3测控指标与过程通道硬件设计 针对过程通道接口设计与元器件选择 2 3 1实时性指标对测量接口设计的约束分析 1 数字量输入接口光耦的频率特性 RC滤波对快速 开关变位 的影响 如图2 3 1所示 RC滤波器的介质频率 f 1 2a RC 光耦的限流电阻设计 I取值5 10毫安 记为f x ICIC UA 1 6V RR UA 1 6V IC 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 1实时性指标对测量接口设计的约束分析 RC滤波对快速 开关变位 的影响 如图2 3 1所示 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 1实时性指标对测量接口设计的约束分析 2 模拟量输入接口模拟量测量通道的采样频率取决于A D器件的特性 完成A D转换所需的时间 或用A D的采样频率来表示 多路模拟量测量通道设计中的A D参数选取 T为计算机控制系统的采样周期 N为模拟量测量通道数量 N T 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 2测量精度对测量接口电路的约束分析 通常只针对模拟量测量通道 影响模拟量通道测量精度的因素 通道中模拟电路器件所产生的 温度漂移 器件老化对输出的影响 测量放大对信号源共模电压的消除能力 A D基准源的稳定性 A D的分辨率 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 2测量精度对测量接口电路的约束分析 措施 MUX后接高输入阻抗放大器 采用高CMMR差动式放大器 采用低漂移测量放大器 A D器件采用高稳定性基准电源 采用高分辨率A D器件提高测量精度 理论上的测量精度与A D分辨率N 1 2 N 1 测量精度 举例 设计模拟量测量精度为0 1 根据上式有 N 10 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 3可靠性指标对测量接口设计的约束分析 防器件损伤 1 防外部直接传导性大幅值电信号冲击数字量输入输出接口 模拟量输入输出接口 光电隔离 2 模拟量输入 信号调理措施 防数据错误 1 DI PI输入的区抖动处理 软件 硬件两方面 2 DO输出的 高速刷新输出I O 措施 3 模拟量输入通道的信号滤波 软件 硬件两方面 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 4测量算法对硬件的约束分析 不同的计算机测控领域涉及不同的测量计算方法 对测控电路有相应设计约束 举例1 电力测控装置的信号测量基础 高速交流采样测量计算方法 基于交流采样的电力参数计算方法 设计约束 高速采样 电器隔离 测量方法 高速同步 交流采样 模拟量测量通道设计 隔离式多通道同步高速采样 6通道同步采样 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 4测量算法对硬件的约束分析 举例2 桥梁振动测试与故障诊断诊断方法要求 多通道高速同步采样 举例3 声波测井的声信号测量弱信号检测 高精度 低噪声 高分标率 举例4 射频导纳 法液位测量相敏检波测量电路的模拟量测量通道设计 射频导纳 测量计算方法 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 5测量方法对硬件的约束分析 许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口电路协同工作才能保障测控工作的完成 举例1 扫频式消弧线圈 自动调节装置外加扫频源测量 脱谐度 MCU的SPWM接口输出 同步由AI输入接口测量Uf的峰值 频率点 接口设计 AI隔离式高速 高精度采样 与PO接口SPWM输出协同工作 2 3测控指标与过程通道硬件设计 2 3 5测量方法对硬件的约束分析 许多计算机测控装置的测量方法要求计算机测控系统的接口电路协同工作才能保障测控工作的完成 举例2 管网测漏 上下游测量电信号的分布式同步测量测量方法 天文时钟授时同步测量GPS模块 MCU的UART 压力 复合声波信号同步测量 2 4计算机测控网络 2 4 1计算机串行通讯接口 标准的RS 232接口 美国电工联盟EIA标准 有DB 25 DB 9两种连接器方式 1 引脚及功能DB9 2 4 1 1UART与RS 232接口 左上角为1 右下角为9 1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SGND信号地线6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示 2 4计算机测控网络 2 4 1计算机串行通讯接口 标准的RS 232接口 美国电工联盟EIA标准 有DB 25 DB 9两种连接器方式 1 引脚及功能DB25 2 4 1 1UART与RS 232接口 1屏蔽地线2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS允许发送6DSR数据准备好7SG信号地8DCD载波检测9发送返回 10未定义 2 4计算机测控网络 2 4 1计算机串行通讯接口 标准的RS 232接口 美国电工联盟EIA标准 有DB 25 DB 9两种连接器方式 1 引脚及功能DB25 2 4 1 1UART与RS 232接口 11数据发送 12 17未定义18数据接收 19未定义20数据终端准备好DTR21未定义22振铃RI23 24未定义25接收返回 标准的细节 2 4计算机测控网络 2 4 1计算机串行通讯接口 2 接口电平标准DB25 2 4 1 1UART与RS 232接口 RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系 即 逻辑 1 为 3 15V 逻辑 0 3 15V 噪声容限为2V 即要求接收器能识别高于 3V的信号作为逻辑 0 低于 3V的信号作为逻辑 1 3 RS 232接口器件 古代典型器件 MC1488 MC1489 2 4计算机测控网络 4 波特率 2 4 1 1UART与RS 232接口 1200 2400 4800 9600 19200 115200比特 s 5 异步串行通讯 数据帧 起始位 7 8位数据 奇偶校验位 结束位 6 异步串行 数据通讯的数据校验方式 帧校验 奇校验 偶校验 无校验 数据包校验 和校验 CRC校验 7 工作模式 单工 半双工 全双工 2 4计算机测控网络 MCU的UART接口 2 4 1 1UART与RS 232接口 1 UART接口 TXD 发射 RXD 接收 2 UART的驱动与应用设计 设计成简版RS 232接口 RS 422接口 肉丝85接口 2 4计算机测控网络 2 4 1 2RS 422与RS 485接口 2 4计算机测控网络 2 4 1 2RS 422与RS 485接口 2 4计算机测控网络 基于RS 485接口MODBUS协议 基于RS 485接口PROFIBUS协议 CAN BUS 连路层协议 应用层协议 LONWORKHARTFF基金会总线 2 4 2现场总线网络接口 2 4 2 1常用的现场总线类型 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 1 基本报文结构 一般格式命令帧从站地址功能码数据长度数据校验和2 主站与从站 主站 轮询 从站 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 3 总线支持能力驱动器 32个 64个 协议 支持最多247个 4 询问 与 应答 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 功能名称作用 对主站而言 01读取开出状态取得一组开关量输出的当前状态02读取开入状态取得一组开关量输入的当前状态03读取模出状态取得一组模拟量输出的当前状态04读取模入状态取得一组模拟量输入的当前状态05强制单路开出强制设定某个开关量输出的值06强制单路模出强制设定某个模拟量输出的值07读取异常状态取得从站的一些状态 8位 08回送诊断校验把诊断校验报文送从站 以对通讯处理进行评鉴 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 功能名称作用 对主站而言 09编程主机模拟编程器的作用 修改从站逻辑10探询定期探询从站是否已完成某长程序任务11读取事件计数取得通讯状态和通讯事件的次数12读取通讯事件记录取得通讯状态 事件次数 报文数量和至多64事件13编程主机模拟编程器的作用 修改从站逻辑14探询定期探询从站是否已完成某长程序任务15强制多路开出强制设定从站几个开关量输出的值16强制多路模出强制设定从站几个模拟量输出的值 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 功能名称作用 对主站而言 17报告从站标识取得从站类型和运行指示灯的状态18编程主机模拟编程器的作用 修改从站逻辑19重置通讯链路使从站复位于已知状态20 72保留留作扩展功能备用73 119非法功能120 127保留留作内部使用128 255保留用作异常应答 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取开出状态 功能码01 本功能可使主站获得被编址从站的开关量输出的通断状态 询问RTU帧 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈校验和高位低位数高位数低位CRC11H01H00H13H00H25H0EH84H 应答RTU帧 从站地址功能码字节计数数据校验和CRC11H01H05HCDH6BHB2H0EH1BH45HE6H 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取开关量入状态 功能码02 本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状态 以下例子是读取17号从站开关量输入0197 0218的状态 读出的22位组成3个字节 最后一个字节的高2位补0 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 询问RTU帧 从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈校验和高位低位数高位数低位CRC11H02HC4H00H16H25HBAHA9H 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取开关量入状态 功能码02 本功能可使主站获得被编址从站的开关量输入的通断状态 以下例子是读取17号从站开关量输入0197 0218的状态 读出的22位组成3个字节 最后一个字节的高2位补0 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 应答RTU帧 从站地址功能码字节计数数据校验和CRC11H02H03HACHDBH35H20H18H 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取模拟量出值 功能码03 本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态 以下例子是读取17号从站模出点0108 0110的状态 应答数据高字节在前 108是555 109是0 110是100 询问RTU帧 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈校验和高位低位数高位数低位CRC11H03H00H6BH00H03H76H87H 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取模拟量出值 功能码03 本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输出的通断状态 以下例子是读取17号从站模出点0108 0110的状态 应答数据高字节在前 108是555 109是0 110是100 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 应答RTU帧 从站地址功能码字节计数数据校验和CRC11H03H06H02H2BH00H00H00H64HCBHBAH 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取模拟量输入值 功能码04 本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值 每路模拟量2个字节 高位在前 低位在后 应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据 以下例子是读取17号节点的模入点0108 0110的状态 应答数据高字节在前 108是555 109是0 110是100 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈校验和高位低位数高位数低位CRC11H04H00H6BH00H03HC3H47H 询问RTU帧 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 读取模拟量输入值 功能码04 本功能可使主站获得被编址从站的模拟量输入值 每路模拟量2个字节 高位在前 低位在后 应答帧中的数据是按上述要求读取的模拟量数据 以下例子是读取17号节点的模入点0108 0110的状态 应答数据高字节在前 108是555 109是0 110是100 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 应答RTU帧 从站地址功能码字节计数数据校验和CRC11H04H06H02H2BH00H00H00H64H5C89H 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 强制单路开关量输出 功能码05 本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态 数据用于设定开或关 FF为开 0为关 其他值为非法值 正常应答是将报文原文发回 从站地址为0时 为广播方式 以下例子是强制17号从站开出点173为ON 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 询问RTU帧 从站地址功能码起始地址起始地址数据线圈数据线圈校验和高位低位数高位数低位CRC11H05H00HACHFFH00H4EH8BH 2 4计算机测控网络 MODBUSRTU协议 5 常用预定义 功能码 强制单路开关量输出 功能码05 本功能可使主站强行设定被编址从站某路开关量输出的通断状态 数据用于设定开或关 FF为开 0为关 其他值为非法值 正常应答是将报文原文发回 从站地址为0时 为广播方式 以下例子是强制17号从站开出点173为ON 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 应答RTU帧 从站地址功能码字节计数数据校验和CRC11H04H06H02H2BH00H00H00H64H5C89H 2 4计算机测控网络 ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 由德国Bosch公司最先提出 已成为国际标准ISO11898 高速应用 和ISO11519 低速应用 CAN是一种多主方式的串行通讯总线 CAN的规范定义了OSI模型的最下面两层 数据链路层和物理层 CAN协议有2 0A和2 0B两个版本 CAN协议的2 0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符 在2 0B版本中规定CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位 2 4 2 3CAN总线及其应用 2 4计算机测控网络 1 CAN总线驱动与参总线特点总线状态 隐性 逻辑 1 显性 逻辑 0 电平标准 显性状态 CAN HIGH线与CAN LOW线上的电压差为0V 隐性状态 CAN HIGH线与CAN LOW线上的电压差最低为2V 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 1 CAN总线驱动与参总线特点多主模式 CAN可以实现多种模式主要基于完善的总线仲裁机制 因为总线允许多节点同时发送 同时接收数据 而传统的ModBusRTU等协议总线在某一时刻只能有一个节点发送数据不同 若同时有两个节点发送数据 则会造成总线逻辑电平错误而导致两个节点发送全部失败 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 1 CAN总线驱动与参总线特点CAN总线的冲突解决机制 CAN总线采用的是一种叫做 载波监测 多路访问 冲突检测 CSMA CA 的通信模式 数据节点侦听总线忙 闲 数据发送 侦听比较 判断冲突 冲突处理 地址最小的节点等待时间最短后重发数据 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 1 CAN总线驱动与参总线特点短帧报文 以PCCAN协议B为例 PCCAN协议是基于CAN总线的应用层协议 是简单的应用层协议 支持功能及优点如下 i 是通用协议 ii 基于对称性多主网络结构 支持广播和点对点传送命令数据 iii 命令数据包可长达256字节 iv 以CAN2 0A数据帧为基础 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 下表是PCCAN协议B的帧报文格式 由11位ID 1位RTR 4位DLC 数据区 最多8个字节 组成 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 PRI 保留位 可做优先级位 通常 保留位设置为1 保留位亦可作为优先级位 这时1为低优先级0为高优先级 而剩余的优先级由源地址决定 低地址优先级高 该保留功能可有效支持紧急信息传送 如报警等 Sourceaddress 源地址 标志发送数据的节点地址 范围只能设定为0 125 TYPE 帧类型 见下表的帧类型说明 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 TYPE 帧类型 见下表的帧类型说明 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 2 4计算机测控网络 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 DLC 每帧字节数 1 8字节 Destinationaddress 目标地址 表示接收数据的节点地址 范围只能设定0 125 Index 索引字节 对于单帧数据 该字节表示传输数据的第一个字节 对于多帧数据 此字节表示索引字节 即此帧数据在数据包中的位置 Data 数据 基于此协议 可以实现点对点通讯或者广播通讯 若此协议不能满足应用 仍然可以在数据域继续定义自己的协议 数据可以主动上传或者轮询方式 2 4计算机测控网络 2 CAN总线接口目前 CAN总线控制器基本全部集成在MCU芯片内部 CAN接口只需外扩一个物理层收发芯片即可 见下图 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 图4 15CAN总线通信接口电路 2 4计算机测控网络 2 4 2 2基于RS 485接口的MODBUS通讯 CAN总线 为差分接收 差分发送 故由两根线CANH和CANL构成CAN总线 为防止总线的高频干扰 可以在CANH CANL和地之间分别并接一个小电容 用于旁路高频干扰 CAN总线收发均通过光耦进行隔离 总线匹配电阻 R1 一般取值120欧姆 用于防止在总线终点发生反射 2 4计算机测控网络 2 4 3工业以太网 工业以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC61784 1中包含的HSE Ethernet IP Profinet之外 还包括EPA EtherCAT EthernetPowerLink Vnet IP TCnet Modbus IDA等6个新的提案 2 4 3 1HSE HighSpeedEthernet 高速以太网 HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成 HSE是现场总线基金会在据弃了原有高速总线H2之后的新作 HSE链接设备将H1网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的ERP和管理系统 2 4计算机测控网络 2 4 3 1HSE HighSpeedEthernet 高速以太网 HSE定位于实现控制网络与互联网Internet的集成 HSE在低四层直接采用以太网 TCP IP 在应用层和用户层直接采用FFH1的应用层服务和功能块应用进程规范 2 4 3 2Profinet 由Siemens开发并由ProfibusInternational支持 有3个版本 2 4计算机测控网络 2 4 3 2Profinet 第一个版本 定义了基于TCP UDP IP的自动化组件 采用标准TCP IP 以太网作为连接介质 采用标准TCP IP协议加上应用层的RPC DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址 它可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备 现有的Profibus网段可以通过一个代理设备 proxy 连接到Profinet网络当中 使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在Profinet中使用 2 4计算机测控网络 2 4 3 2Profinet 第二个版本 Profinet在以太网上开辟了两个通道 标准的使用TCP IP协议的非实时通信通道 另一个是实时通道 旁路第三层和第四层 提供精确通信能力 该协议减少了数据长度 以减小通信栈的吞吐量 为优化通信功能 Profinet根据IEEE802 p定义了报文的优先级 最多可用7级 2 4计算机测控网络 2 4 3 2Profinet 第二个版本 Profinet在以太网上开辟了两个通道 标准的使用TCP IP协议的非实时通信通道 另一个是实时通道 旁路第三层和第四层 提供精确通信能力 该协议减少了数据长度 以减小通信栈的吞吐量 为优化通信功能 Profinet根据IEEE802 p定义了报文的优先级 最多可用7级 Profinet第三版 采用了硬件方案以缩小基于软件的通道 以进一步缩短通信栈软件的处理时间 为连接到集成的以太网交换机 Profinet第三版还开始解决基于IEEE1588同步数据传输的运动控制解决方案 2 4计算机测控网络 2 4 3 2Profinet 第二个版本 Profinet在以太网上开辟了两个通道 标准的使用TCP IP协议的非实时通信通道 另一个是实时通道 旁路第三层和第四层 提供精确通信能力 该协议减少了数据长度 以减小通信栈的吞吐量 为优化通信功能 Profinet根据IEEE802 p定义了报文的优先级 最多可用7级 Profinet第三版 采用了硬件方案以缩小基于软件的通道 以进一步缩短通信栈软件的处理时间 为连接到集成的以太网交换机 Profinet第三版还开始解决基于IEEE1588同步数据传输的运动控制解决方案 2 4计算机测控网络 2 4 3 3Ethernet IP Ethernet IP Ethernet IndustrialProtocol 以太网工业协议 由ROCKWELL定义 并由ODVA和ControlNetInternational支持 采用星形拓扑结构 利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接 能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商业产品 由IEEE802 3物理层和数据链路层标准 TCP IP协议组和控制与信息协议CIP ControlInformationProtocol 等三个部分组成 前面两部分为标准以太网技术 其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分 2 4计算机测控网络 2 4 3 3Ethernet IP Ethernet IP Ethernet IndustrialProtocol 以太网工业协议 Ethernet IP为了提高设备间的互操作性 采用了ControlNet和Devicenet控制网络中相同的CIP CIP一方面提供实时I O通信 一方面实现信息的对等传输 其控制部分用来实现实时I O通信 信息部分则用来实现非实时的信息交换 2 4计算机测控网络 2 4 3 4EtherCAT EtherCAT EthernetforControlAutomationTechnology 是由德国倍福Beckhoff公司开发 并由EtherCAT技术 EtherCATTechnologyGroup ETG 支持 它采用以太网帧 并以特定的环状拓扑发送数据 网络上的每一个站均从以太网帧上取走与该站有关的数据 或并插入该站本身特定的输入 输出数据 网络内的最后一个模块向第一个模块发送一个帧以形成和创建一个物理和逻辑环 2 4计算机测控网络 2 4 3 4EtherCAT EtherCAT通过内部优先级系统 使实时以太网帧比其他的数据 如组态或诊断数据 等 具有较高的优先级 组态数据只在传输实时数据的间隙 如间隙时间足够传输的话 中传输 或者通过特定的通道传输 EtherCAT保留了标准以太网功能 与传统IP协议兼容 EtherCAT接口需要专用ASIC芯片 以集成至少两个以太网端口 采用基于IEEE1588的时间同步机制 以支持运动控制中的实时应用 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 早期无线传感器网络 超短波数传模块 433M 无链路层协议的点对点通讯 每个群设置一个主节点其余都是从节点的主从式通讯 群与群之间利用频点细分信道区分 应用层协议多采用MODBUSRTU协议 Zigbee无线传感器网络 自组织网络 分为主节点 每个网络只有一个主节点 路由节点 可有多个 具有自动网络迂回自组织机制 终端节点 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 协调器 选择信道和网络 启动网络 能够允许路由器和终端设备加入网络 能够辅助路由数据 不能睡眠 需要保持带电 路由器 必须加入网络才能发送 接收或者路由数据 加入后 能够允许其他路由器和终端设备加入网络 加入后 能够辅助路由数据 不能睡眠 需要保持带电 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 终端设备 必须加入网络才能发送或者接收数据 不能允许设备加入网络 必须总是通过它的父节点发送和接收RF数据 不能路由数据 能够进入低功模式以保存能量 可以电池供电 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 ZigBee是一种无线连接 可工作在2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和915MHz 美国流行 3个频段上 分别具有最高250kbit s 20kbit s和40kbit s的传输速率 它的传输距离在10 75m的范围内 但可以继续增加 2 4计算机测控网络 2 4 4无线传感器网络 采用ZigBee技术的产品可以在2 4GHz上提供250kbit s 16个信道 在915MHz提供40k