基于MODBUS無線總線測控系統(tǒng)

引言

目前無線通訊不但在通訊行業(yè)得到廣泛的應用，而且在檢測與控制領(lǐng)域也正在不斷地得到應用與推廣。工業(yè)現(xiàn)場總線作為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流通訊網(wǎng)絡，其通訊介質(zhì)為光纖或通訊電纜。針對很多檢測點和控制裝置分布較為分散或距離較遠，且應用通訊電纜連接成本高的場所，目前可以采用點對點的無線通訊方式，且各公司生產(chǎn)的測控系統(tǒng)所采用的通訊標準不盡相同，不同公司的測控裝置不能夠相互通訊，甚至同一公司的測控裝置也可能不能夠相互通訊。為了使得測控裝置系統(tǒng)既滿足無線通訊的要求，又達到總線測控的目的，在測控裝置系統(tǒng)中將工業(yè)現(xiàn)場總線通訊標準引入到無線通訊中。本文將ModBus通訊標準引入到nRF無線通訊技術(shù)中，組成ModBus無線總線測控系統(tǒng)，對系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)和無線收發(fā)電路的原理，ModBus協(xié)議的RTU模式，ARM與nRF905的接口及軟件設(shè)計進行了論述。

1 總體方案設(shè)計

針對很多檢測點和控制裝置分布較為分散或距離較遠，且應用通訊電纜連接成本高，這些裝置的數(shù)據(jù)可以每天定時通過人工進行數(shù)據(jù)采集和傳輸相應的設(shè)置和控制命令，或者是距離較近但經(jīng)常需要移動的裝置，比如各種蓄電池的檢測等，所以需要一種能夠滿足室外100米和室內(nèi)50米左右的無線通信距離的系統(tǒng)，且又滿足工業(yè)控制總線通訊標準的系統(tǒng)。

1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證

目前新興的短距離無線傳輸技術(shù)主要有三種，分別是：紅外線傳輸IrDA，藍牙科技BLUETOOTH，nRF技術(shù)。由于紅外線傳輸IrDA距離太短，抗干擾能力差，傳輸速度慢，而藍牙發(fā)射接收處理、基帶處理由多個芯片組成，接口、編程及硬件都較復雜，通訊速率較慢，所以采用nRF方案，本系統(tǒng)選定nRF905芯片作為系統(tǒng)無線收發(fā)模塊的核心。

2)系統(tǒng)電路組成

基于無線ModBus的測控系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)分為三大部分：主機、分機以及無線ModBus總線傳輸通道。系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)方式，一臺主機，若干個分機。分機主要由傳感器、信號調(diào)理電路、帶有A／D轉(zhuǎn)換的嵌入式ARM結(jié)構(gòu)的LPC2132芯片、無線收發(fā)模塊nRF905等組成；主機主要由人機界面、嵌入式ARM結(jié)構(gòu)的LPC2132芯片、無線收發(fā)模塊nRF905等組成。無線總線系統(tǒng)主機、分機編程設(shè)計通訊協(xié)議控制器，實現(xiàn)按照ModBus總線的協(xié)議標準打包發(fā)送信息，主機通過nRF905芯片發(fā)送ModBus(RTU)控制命令控制各前端數(shù)據(jù)采集裝置(分機)工作，并對采集數(shù)據(jù)的實時處理和顯示，畫出各采樣點的波形；分機則不斷監(jiān)測和采集信息，接收主機發(fā)送ModBus(RTU)命令，完成相應的功能(如完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制)。主機和分機的信息交換以射頻無線(nRF技術(shù))和ModBus總線協(xié)議的方式實現(xiàn)。

圖1 基于無線ModBus的測控系統(tǒng)框圖

2 NRF905的工作模式以及與ARM的接口

nRF905的工作模式如表1所示，通過設(shè)置TRX_CE、TX_EN、PWR_UP來決定nRF905工作模式。

表1工作模式

1)節(jié)電模式。

掉電模式。nRF905被禁止，電流消耗最小，典型值低于2．5uA。nRF905配,置字的內(nèi)容保持不變。在本系統(tǒng)中未使用這種模式。

Standby模式。Standby模式在保持電流消耗最小的同時保證ShockBurst RX，ShockBurstTX的最短啟動時間。當進入這種模式時，晶體振蕩器是活動的。在此模式中配置字的內(nèi)容保持不變，可對NRF905進行SPI編程操作。