基于MODBUS無線總線測(cè)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(yīng)用，而且在檢測(cè)與控制領(lǐng)域也正在不斷地得到應(yīng)用與推廣。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線作為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流通訊網(wǎng)絡(luò)，其通訊介質(zhì)為光纖或通訊電纜。針對(duì)很多檢測(cè)點(diǎn)和控制裝置分布較為分散或距離較遠(yuǎn)，且應(yīng)用通訊電纜連接成本高的場(chǎng)所，目前可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通訊方式，且各公司生產(chǎn)的測(cè)控系統(tǒng)所采用的通訊標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，不同公司的測(cè)控裝置不能夠相互通訊，甚至同一公司的測(cè)控裝置也可能不能夠相互通訊。為了使得測(cè)控裝置系統(tǒng)既滿足無線通訊的要求，又達(dá)到總線測(cè)控的目的，在測(cè)控裝置系統(tǒng)中將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊標(biāo)準(zhǔn)引入到無線通訊中。本文將ModBus通訊標(biāo)準(zhǔn)引入到nRF無線通訊技術(shù)中，組成ModBus無線總線測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)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(jì)進(jìn)行了論述。

1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)很多檢測(cè)點(diǎn)和控制裝置分布較為分散或距離較遠(yuǎn)，且應(yīng)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(shí)通過人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸相應(yīng)的設(shè)置和控制命令，或者是距離較近但經(jīng)常需要移動(dòng)的裝置，比如各種蓄電池的檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。

1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)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(lán)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(lán)牙發(fā)射接收處理、基帶處理由多個(gè)芯片組成，接口、編程及硬件都較復(fù)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(cè)控系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)分為三大部分：主機(jī)、分機(jī)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(tái)主機(jī)，若干個(gè)分機(jī)。分機(jī)主要由傳感器、信號(hào)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(jī)主要由人機(jī)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(jī)、分機(jī)編程設(shè)計(jì)通訊協(xié)議控制器，實(shí)現(xiàn)按照ModBus總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)打包發(fā)送信息，主機(jī)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(jī))工作，并對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和顯示，畫出各采樣點(diǎn)的波形；分機(jī)則不斷監(jiān)測(cè)和采集信息，接收主機(jī)發(fā)送ModBus(RTU)命令，完成相應(yīng)的功能(如完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制)。主機(jī)和分機(jī)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(shí)現(xiàn)。

圖1 基于無線ModBus的測(cè)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(shí)保證ShockBurst RX，ShockBurstTX的最短啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)進(jìn)入這種模式時(shí)，晶體振蕩器是活動(dòng)的。在此模式中配置字的內(nèi)容保持不變，可對(duì)NRF905進(jìn)行SPI編程操作。