基于MDT單片機(jī)的Modbus遠(yuǎn)程控制器設(shè)計

包琴

(1.福建工程學(xué)院 福建省汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點實驗室， 福建 福州 350118； 2.福建省北斗導(dǎo)航與智慧交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350118)

公共建筑電力能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)有效地提高了后勤部門用電監(jiān)管的自動化程度，為節(jié)能管理提供了一個有效手段[1]。針對當(dāng)前能耗監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)對現(xiàn)場用電控制能力有限的現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于MDT和Modbus協(xié)議的控制器，實現(xiàn)對現(xiàn)場用電設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的讀取和切換，以提高能耗監(jiān)管系統(tǒng)對用電設(shè)備的控制水平，特別是對違規(guī)用電設(shè)備的實時監(jiān)視和處理能力。

MDT10P73單片機(jī)功能兼容PIC16F73，片上資源豐富，使用溫度寬，抗干擾能力強(qiáng)，適合于工業(yè)現(xiàn)場使用，其采用的高性能RISC指令集，在20 MHz外部時鐘晶體時單周期指令為200 ns，執(zhí)行

效率高，編程方便[2-3]。

Modbus協(xié)議是由Modicon公司推出并真正應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議[4]。通過此協(xié)議，能夠由通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制器之間、控制器和其它設(shè)備之間進(jìn)行可靠地通信，目前Modbus已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。

1 控制器硬件設(shè)計

1.1 硬件總體設(shè)計

MDT10P73單片機(jī)具備4K×14位EPROM程序存儲器、192字節(jié)的RAM存儲器、22個GPIO接口、3個定時器、11個中斷、5通道8位ADC、1個I2C接口和1個UART通用串口等多種外設(shè)，為小型控制系統(tǒng)提供了十分便利的解決方案[7]。

基于MDT單片機(jī)和Modbus-RTU的遠(yuǎn)程控制器主要由MDT10P73單片機(jī)最小系統(tǒng)、RS485通信電路、輸入輸出IO電路和供電電源組成，遠(yuǎn)程控制器硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制器硬件總體框圖Fig.1 Hardware diagram of the remote control unit

1.2 硬件詳細(xì)設(shè)計

遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制器選用28引腳窄型DIP封裝的MDT10P73，共設(shè)計4路狀態(tài)量繼電器輸出控制接口、12路光耦隔離的狀態(tài)量采集輸入接口、1個半雙工隔離型RS485接口。

將MDT10P73的GPIO接口PB2-PB7配置為6路輸入狀態(tài)并使能端口弱上拉電阻；PA0-PA5配置為6路輸入狀態(tài)；PC0-PC3配置為4路輸出狀態(tài)；PB0-PB1預(yù)留給I2C總線。遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制器核心部分的電路原理如圖2所示，其中24C02為外置E2PROM。

圖2 MDT10P73核心部分的原理圖Fig.2 Schematic circuit of the MDT10P73’s core board

為保護(hù)遠(yuǎn)程控制器輸入端口，12路狀態(tài)量采集電路，采用光耦器件與主MCU進(jìn)行隔離，圖3是其中一路狀態(tài)量采集的原理設(shè)計電路。

圖3 帶隔離保護(hù)的狀態(tài)量采集電路Fig.3 State variable acquisition circuit with isolation

為實現(xiàn)輸入端口的保護(hù)功能，圖3使用插件高速光耦TLP781進(jìn)行光電隔離，并由獨立的模擬電源HVCC=24 V提供供電。TVS瞬變抑制二極管SMBJ26A能夠削減高壓帶來的沖擊。在IN-1端口閉合/斷開的情況下，能夠控制光耦器件TLP781工作狀態(tài)的改變，實現(xiàn)了輸入信號的隔離交換。

遠(yuǎn)程控制器的4路狀態(tài)量控制輸出接口，直接由MDT10P73 MCU的PC0-PC3輸出口，在隔離光耦的配合下，驅(qū)動常開繼電器的開/閉操作，其繼電器隔離驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制模塊狀態(tài)輸出電路Fig.4 State output circuit of the remote control module

為實現(xiàn)與智能網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程互聯(lián)，現(xiàn)場控制器內(nèi)實現(xiàn)了1路帶隔離功能的高速RS485接口，并設(shè)計靜電、雷擊和抗交流～220 V誤接入的保護(hù)功能。

ADM2587E是一款內(nèi)部采用isoPowerTM集成式隔離DC/DC技術(shù)的RS-485/RS-422收發(fā)器，可配置成半雙工或全雙工模式，其RS-485輸入/輸出引腳上具有±15 kV ESD保護(hù)功能[8]。帶隔離保護(hù)的高速RS485接口設(shè)計如圖5所示，其中RS485模擬部分5.0 VCC的供電電源，直接由ADM2587E芯片內(nèi)部的隔離DC-DC提供，實現(xiàn)了與數(shù)字部分+5 V電源的完全隔離。

圖5 帶隔離保護(hù)的高速RS485接口Fig.5 High speed RS485 interface with isolation

ADM2587E的通信速率高達(dá)500 kbps，工作溫度-40～+85 ℃，2.5 kV隔離電壓，±15 kV的ESD保護(hù)，完全滿足遠(yuǎn)程控制器在復(fù)雜現(xiàn)場的高速通信需求[9]。

2 控制器軟件設(shè)計

MDT10P73片上RAM存儲器有限，堆棧深度固定8級，因此，遠(yuǎn)程控制器軟件采用前后臺系統(tǒng)的模式，并直接由匯編語言實現(xiàn)控制器的采集、控制、存儲和通信功能?？紤]到MDT10P73指令單周期200 ns快速高效的性能，為增加系統(tǒng)的抗干擾能力，UART串口和GPIO的工作狀態(tài)，均采用輪詢方式進(jìn)行確認(rèn)。

2.1 軟件總體設(shè)計

遠(yuǎn)程控制器前臺程序是一個無限的輪詢循環(huán)，軟件總體設(shè)計如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程控制器前臺軟件流程圖Fig.6 Flowchart for the foreground software of the remote control unit

后臺軟件主要涉及12路狀態(tài)量的GPIO輸入電平監(jiān)控、4路狀態(tài)量輸出、UART串口接收、UART發(fā)送和Modbus-RTU協(xié)議處理5個任務(wù)。

2.2 GPIO輸入/輸出控制

遠(yuǎn)程控制器的GPIO輸入/輸出控制的核心是12個輸入狀態(tài)量的電平監(jiān)控。為提高狀態(tài)量讀取的可靠性，GPIO輸入電平監(jiān)控采用輪詢方式，并對噪聲干擾進(jìn)行一定的濾波處理。

輸入狀態(tài)量的電平掃描流程圖如圖7所示。

圖7 輸入端口電平輪詢流程圖Fig.7 Flowchart of the level polling of input ports

在輸入端口100 ms的掃描周期內(nèi)，匯編后臺程序?qū)刂破鞯?2路輸入狀態(tài)量DI[0～11]進(jìn)行5次掃描，將掃描的低電平次數(shù)，累計到j(luò)k變量內(nèi)，其中k=0～11。若5次掃描，有3次以上為低電平，將認(rèn)為該DI[k]端口出現(xiàn)低電平。

2.3 UART的數(shù)據(jù)收發(fā)

UART初始化成8 bit數(shù)據(jù)，1停止位，無奇偶校驗的格式，并設(shè)計波特率為1 200～115 200 bps。UART數(shù)據(jù)收發(fā)按Modbus-RTU協(xié)議約束，其幀間間隙應(yīng)有大于3.5個字符的空閑時間，幀內(nèi)字節(jié)間隙不超過1.5個字符時間[10]。

圖8是Modbus-RTU協(xié)議幀的發(fā)送流程，其中指針寄存器FSR指向協(xié)議幀的起始地址，協(xié)議幀的長度信息暫存于temp_i臨時寄存器中，RTU協(xié)議幀報文字節(jié)發(fā)送完成后，即temp_i為0時退出。

圖8 Modbus-RTU數(shù)據(jù)幀發(fā)送流程Fig. 8 Flowchart of the transmission of Modbus-RTU data frame

3 控制器Modbus協(xié)議設(shè)計

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，它可在不同類型總線的設(shè)備之間，提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信[11]。表1所示的是一個典型的Modbus-RTU協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。

表1 Modbus-RTU協(xié)議幀的基本結(jié)構(gòu)Tab.1 Basic structure of Modbus-RTU protocol frame

注：T為一個字節(jié)的通信時間，S為1個停止位

Modbus-RTU模式在總線上進(jìn)行通訊時，協(xié)議幀報文中的每8位的字節(jié)被分成2個4位的16進(jìn)制的字符，該模式的主要優(yōu)點是在相同波特率時傳輸?shù)拿芏雀哂贏SCII模式[12]。

遠(yuǎn)程控制器通過擴(kuò)展Modbus-RTU協(xié)議幀的“N×8位”的數(shù)據(jù)內(nèi)容為“Modbus寄存器+數(shù)據(jù)內(nèi)容”，定義了Modbus對控制器的操作寄存器，主要約定了對控制器的參數(shù)設(shè)置/獲取和端口數(shù)據(jù)讀/寫操作。

控制器Modbus寄存器的定義如表2所示。

表2遠(yuǎn)程控制器的Modbus寄存器列表

Tab.2ListofModbusregistersfortheremotecontrol

unit

協(xié)議幀功能碼(H)Modbus寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容操作參數(shù)類型03DI：00H-0BH0/1→低/高只讀03/10/06DO：10H-13H0/1→低/高讀寫通訊參數(shù)03/10/0640H通訊地址讀寫03/10/0641H通訊波特率讀寫03/10/0642H奇偶校驗位讀寫

控制器8 Bit的Modbus從設(shè)備地址存儲于MCU外擴(kuò)的24C02 E2PROM內(nèi)，協(xié)議幀通過擴(kuò)展的40 H Modbus寄存器進(jìn)行訪問。

遠(yuǎn)程控制器作為RS485總線的從設(shè)備，其Modbus-RTU協(xié)議幀的處理流程如圖9所示。

圖9 控制器Modbus-RTU協(xié)議幀的處理流程 Fig.9 Processing flow of the Modbus-RTU protocol frame of the control unit

控制器首先等待主機(jī)發(fā)送的Modbus-RTU協(xié)議幀，若MDT10P73前臺軟件流程收到主機(jī)發(fā)送的協(xié)議幀并通過了CRC16檢驗，則逐項核對協(xié)議幀的從機(jī)地址碼、功能碼、擴(kuò)展的Modbus操作寄存器和數(shù)據(jù)內(nèi)容。如經(jīng)核對全部有效，則協(xié)議處理流程將執(zhí)行主機(jī)的操作命令并向主機(jī)做出應(yīng)答幀響應(yīng)；如果核對的對應(yīng)碼與協(xié)議處理流程不一致，以及操作失敗，則向主機(jī)返回一個異常幀應(yīng)答。

4 測試與驗證

遠(yuǎn)程控制器出廠默認(rèn)波特率：57 600 bps；字符格式：1位起始位/8位數(shù)據(jù)位/無校驗位/1位停止位；Modbus地址：0x01。圖10是遠(yuǎn)程控制器的地址、通信波特率和校驗位修改的命令與應(yīng)答協(xié)議幀的報文，其中新配置的控制器的從機(jī)地址為0x08，通信波特率為38 400 bps，校驗位為偶校驗。

[發(fā)送] 01 10 00 40 00 01 02 00 08 A9 56

[接收] 01 10 00 40 00 01 00 1D

(a)出廠默認(rèn)下Modbus地址修改為0x08-DATA:0008H

[發(fā)送] 08 10 00 41 00 01 02 03 84 C3 82

[接收] 08 10 00 41 00 01 51 44

(b)默認(rèn)通信波特率修改為38 400 bps-DATA:0384H

[發(fā)送] 08 10 00 42 00 01 02 00 02 42 E3

[接收] 08 10 00 42 00 01 A1 44

(c)默認(rèn)通信校驗位修改為偶校驗-DATA:0002H

圖10通訊參數(shù)配置與應(yīng)答的測試響應(yīng)

Fig.10Testresponsesoftheconfigurationandresponseramesofthecommunicationparameter

將初始化配置后的遠(yuǎn)程控制器，掛載于主網(wǎng)關(guān)的下行RS485總線，并在該總線上并行接入RS232-485監(jiān)視模塊，以便上位機(jī)能夠?qū)崟r監(jiān)測RS485總線上的通信數(shù)據(jù)。

圖11是對12路DI端口的采集與應(yīng)答協(xié)議幀的監(jiān)視情況，其中DI0、DI4-7和DI11處于閉合狀態(tài)，DI1-DI3和DI8-DI10處于斷開狀態(tài)。

[接收] 08 03 00 00 00 0C 45 56

[接收] 08 03 18 00 01 00 00 00 00 00 00 00 01 00 01 00 01

00 01 00 00 00 00 00 00 00 01 AB 90

圖11狀態(tài)采集端口的測試響應(yīng)

Fig.11Testresponseofthestateacquisitionport

圖12是對4路DO端口的控制與應(yīng)答協(xié)議幀的監(jiān)視情況，其中DO1、DO3和DO4處于閉合狀態(tài)，DO2處于斷開狀態(tài)，與實際的控制要求相一致。

[接收] 08 10 00 10 00 04 08 00 01 00 00 00 01 00 01 3E 43

[接收] 08 10 00 10 00 04 C0 96

圖12狀態(tài)控制端口的測試響應(yīng)

Fig.12Testresponseofthestatecontrolport

5 結(jié)論

根據(jù)企業(yè)實際需求所開發(fā)的基于RISC單片機(jī)MDT10P73的遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制器，整合并擴(kuò)展了Modbus-RTU通信協(xié)議，能夠可靠地實現(xiàn)了12路狀態(tài)量的采集和4路控制量的輸出。經(jīng)過現(xiàn)場測試和運(yùn)行，所設(shè)計的現(xiàn)場控制器響應(yīng)正常，工作穩(wěn)定可靠。由于Modbus協(xié)議和RS485均支持多從機(jī)部署，故該控制器可以為現(xiàn)場采集網(wǎng)關(guān)或RS485控制主機(jī)提供簡便和經(jīng)濟(jì)的多機(jī)擴(kuò)展能力。

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