負(fù)載弱電流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊　峰，童　軒，李建奇

(湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

0　引言

在某些環(huán)境下，需要對(duì)終端負(fù)載的電流進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)由于負(fù)載變動(dòng)時(shí)電流會(huì)隨之變動(dòng)，因而設(shè)計(jì)該監(jiān)控系統(tǒng)，一方面可遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，另一方面使電流在負(fù)載變動(dòng)時(shí)保持設(shè)置恒定。

1　系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總體方案如圖1所示。STM32經(jīng)過(guò)控制單元電路對(duì)電流實(shí)時(shí)采樣，根據(jù)采樣的結(jié)果與設(shè)定值由PI算法計(jì)算得到輸出PWM的占空比，PWM的占空比決定負(fù)載的電流大小。其值可通過(guò)人機(jī)接口或上位機(jī)設(shè)定。

圖1　系統(tǒng)方案框圖

2　主要控制單元原理

圖2　控制單元電路

系統(tǒng)中，采樣電阻R1越小，電流最大可設(shè)定范圍越寬，由于LM2596最小電壓大于0，因此過(guò)小的R1可能會(huì)帶來(lái)超調(diào)現(xiàn)象。所謂超調(diào)，是指由于系統(tǒng)的滯后使得在單側(cè)逼近設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)一種先超過(guò)設(shè)定值后再回到設(shè)定值的現(xiàn)象。圖2中使用了2.8 Ω的采樣電阻，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，設(shè)定5 mA以下的電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。為了改善這種現(xiàn)象，系統(tǒng)中加入了恒流偏置電路[7]，由恒流器件SM2082輸出固定電流I2，I2的大小約為50 mA，這即是流過(guò)采樣電阻的最小電流，這意味著抬升了采樣點(diǎn)即負(fù)載一端的最小電壓。若要將I1從0 mA調(diào)節(jié)至1 mA，則相當(dāng)于無(wú)偏置情況下將I從0 mA 調(diào)至51 mA，有效地避免了超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。

控制流程如圖3所示。

圖3　算法流程

圖4　通信電路

3　通信設(shè)計(jì)

3.1　通信電路

通信電路如圖4所示。用STM32的一組串行口與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)RS-485標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[8]。RS-485采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力，通信距離最多可達(dá)上千米。 RS-485采用負(fù)邏輯，+2～+6 V表示“0”，-6 ～-2V 表示“1”。為了達(dá)到 RS-485 總線的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)，必須外接電平轉(zhuǎn)換芯片，圖4中運(yùn)用了SP485，此轉(zhuǎn)換芯片成本小，性能穩(wěn)定。同時(shí)考慮工業(yè)應(yīng)用環(huán)境惡劣等因素，用高速光耦6N137對(duì)總線進(jìn)行了隔離[9]，使其具備更出色的抗干擾能力。

3.2　通信程序

通信利用了Modbus協(xié)議，Modbus協(xié)議是工業(yè)電子設(shè)備上的一種通用語(yǔ)言[10]，按照此協(xié)議，網(wǎng)路中的每臺(tái)設(shè)備之間可以相互通信。隨著該協(xié)議的廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus實(shí)際上定義了一種能被設(shè)備識(shí)別的消息結(jié)構(gòu)，而與這個(gè)消息是通過(guò)何種路徑方式送來(lái)無(wú)關(guān)。它制定了一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求訪問(wèn)另一設(shè)備的模式，確定了怎樣響應(yīng)其他設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求，以及如何檢測(cè)錯(cuò)誤。

多臺(tái)設(shè)備在同一網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，Modbus協(xié)議要求每臺(tái)設(shè)備都知道它們的地址，訪問(wèn)者要根據(jù)訪問(wèn)對(duì)象的地址發(fā)送請(qǐng)求，訪問(wèn)對(duì)象以地址識(shí)別并決定是否產(chǎn)生行動(dòng)。若要回應(yīng)，設(shè)備將生成反饋信息并用此協(xié)議發(fā)出。在其他網(wǎng)絡(luò)上，使用Modbus協(xié)議的消息可以轉(zhuǎn)換為在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上使用的幀結(jié)構(gòu)[11]。

Modbus協(xié)議支持包括RS-232、RS-422、RS-485在內(nèi)的許多設(shè)備，PLC、DCS、FCS等也以該協(xié)議作為它們相互間的通信標(biāo)準(zhǔn)。

Modbus協(xié)議是在一根信號(hào)線上進(jìn)行半雙工通信，也就是說(shuō)在一根單獨(dú)的線上信號(hào)沿著兩端傳輸。當(dāng)主機(jī)的信號(hào)尋址到唯一的從機(jī)時(shí)，此從機(jī)設(shè)備發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)反饋給主機(jī)。 協(xié)議規(guī)定了信息只能在主機(jī)和從機(jī)之間交換，而不能在獨(dú)立的設(shè)備之間交換，這就意味著不會(huì)使它們從一開(kāi)始就占用線路，而只能響應(yīng)本機(jī)接收的查詢(xún)信號(hào)。

在Modbus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇，分別是RTU模式和ASCII模式。通常上位機(jī)都內(nèi)置了RTU模式協(xié)議，而STM32沒(méi)有內(nèi)置該協(xié)議，所以文中系統(tǒng)主控是通過(guò)模擬方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

消息幀發(fā)送要以大于4個(gè)節(jié)拍時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，通信速率大于等于9 600 b/s時(shí)不大于5 ms；一幀消息必須連續(xù)傳輸，如果在一幀傳輸完成之前有超過(guò)4個(gè)節(jié)拍時(shí)間的停頓間隔，接收設(shè)備將認(rèn)為當(dāng)前幀結(jié)束，下一字節(jié)是一個(gè)新幀的開(kāi)始。同理，如果一個(gè)新的消息幀在小于4個(gè)節(jié)拍內(nèi)接著前一幀開(kāi)始，接收設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。

程序中實(shí)現(xiàn)消息接收的關(guān)鍵片段如下：

TIM3_Int_Init(45,7199);

//每隔4 ms定時(shí)器溢出一次

void USART1_IRQHandler( )

{

u8 res;

TIM_SetCounter(TIM3,0);//每接收一個(gè)字節(jié)都會(huì)將定時(shí)器狀態(tài)重置，9 600 b/s接收一幀消息時(shí)，相鄰字節(jié)間隔時(shí)間小于4 ms便不會(huì)發(fā)生溢出中斷

TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);

//關(guān)閉定時(shí)器

if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) != RESET)

{

}

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

//開(kāi)啟定時(shí)器

}

void TIM3_IRQHandler( )

// 若超過(guò)4 ms沒(méi)有接收到新

的字節(jié)，便認(rèn)為一幀消息接收完畢，進(jìn)入中斷處理

{

INTX_DISABLE( );

//關(guān)閉總中斷

if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!=RESET&&RS485_RX_CNT>2)

{

Data_anlys(RS485_RX_BUF,address,RS485_RX_CNT);

// 解析消息內(nèi)容

RS485_RX_CNT=0;

}

TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);

INTX_ENABLE( );

//開(kāi)啟總中斷

}

解析消息時(shí)，根據(jù)每一幀內(nèi)容包含的地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼進(jìn)行處理。

地址碼決定了由哪臺(tái)從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的消息。每個(gè)從機(jī)的地址碼都是唯一的，并且只有相應(yīng)地址碼的從機(jī)才能應(yīng)答。當(dāng)從機(jī)反饋信息時(shí)，反饋數(shù)據(jù)中以自身的地址碼開(kāi)始。主機(jī)將按應(yīng)答格式解析從機(jī)的反饋。

功能碼位于信息幀第二個(gè)字節(jié)。協(xié)議最多定義了127種功能。主機(jī)通過(guò)功能碼告訴從機(jī)所要執(zhí)行的任務(wù)。當(dāng)從機(jī)響應(yīng)時(shí)，從機(jī)回送的功能碼必須與主機(jī)所發(fā)送來(lái)的功能碼相同，以此表明該從機(jī)已應(yīng)答并且將會(huì)執(zhí)行所指定的任務(wù)。

數(shù)據(jù)碼表明需要由從機(jī)回送什么信息。這些信息可以是開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、寄存器、參考地址等。

主機(jī)或從機(jī)用CRC校驗(yàn)碼來(lái)檢查所接收的信息是否正確。由于傳輸路徑存在著一些干擾，所發(fā)送的信息有時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，這時(shí)錯(cuò)誤校驗(yàn)碼(CRC)可以檢驗(yàn)主機(jī)或從機(jī)所接收到的信息是否正確，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可以棄置，從而保證了系統(tǒng)的安全與效率。

CRC碼是一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度為2的十六進(jìn)制數(shù)。主機(jī)和從機(jī)采用相同的CRC算法，主機(jī)將計(jì)算的CRC碼于信息幀的最后發(fā)送，從機(jī)再根據(jù)接收到的信息重新計(jì)算CRC，比較計(jì)算得到的CRC是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明從機(jī)接收信息與主機(jī)所發(fā)送信息不一致，從機(jī)將不會(huì)作出應(yīng)答，也不執(zhí)行動(dòng)作。

系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能有三個(gè)，即數(shù)據(jù)的上傳、設(shè)定數(shù)據(jù)的下傳與啟停指令的下傳，根據(jù)協(xié)議，僅需要模擬其中的功能3(讀取保持寄存器)和功能6(預(yù)置單寄存器)即可實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)控任務(wù)。

4　運(yùn)行結(jié)果與分析

依照上述原理，實(shí)際制作了裝置，編寫(xiě)了程序。根據(jù)不同負(fù)載，測(cè)得了不同可調(diào)量程，如表1所示。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)

負(fù)載越大，可調(diào)量程越小，偏置電流的存在對(duì)量程也有一定影響。調(diào)整的時(shí)間最長(zhǎng)為8 s，最短為3 s，調(diào)整的時(shí)間與負(fù)載、設(shè)定值和PI算法有關(guān)。系統(tǒng)的誤差不超過(guò)0.9%。

5　結(jié)論

文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定負(fù)載的電流設(shè)定功能，調(diào)節(jié)的速度快，誤差小，穩(wěn)定性好，同時(shí)具備遠(yuǎn)程通信功能，滿(mǎn)足了某些實(shí)驗(yàn)與工程需要。系統(tǒng)也存在著有待改進(jìn)之處，一是電流可調(diào)范圍還需要更寬一些；二是在不影響穩(wěn)定的前提下，調(diào)整的速度還可以更快一些。

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