Разработка модуля дискретного ввода-вывода для распределенной системы управления технологическими процессами с интерфейсом RS-485 и поддержкой протокола ModBus

Рисунок 2.10 - Структурная схема микросхемы 78хх

В настоящее время (2012 год), кроме базового семейства 7805, выпускаются его варианты на бомльшие и меньшие выходные токи (78ххM, 78xxL и другие) в корпусах ТО-220, ТО-92, SOP8L, D2PAK.

В Советском Союзе выпускались аналогичные микросхемы. В 1980-х годах появились «гражданские» аналоги - серии КР142ЕНхх в пластиковых корпусах КТ-28-2 (TO-220), аналогичных серии 78хх. А в 2000-х годах начался выпуск маломощных (500 мА) стабилизаторов серии КР1332ЕНхх, аналогичных серии 78Mхх, и микромощных (100 мА) стабилизаторов серии КР1157ЕНхх, КР1181ЕНхх аналогичных серии 78Lхх. Микросхемы стабилизаторов серии 142ЕН выпускаются на следующий ряд напряжений: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 20, 24 и 27 В.

Для питания модуля выбрана микросхема с выходным напряжением 5В - 7805.

3. Разработка программного обеспечения модуля дискретного ввода-вывода

3.1 Описание протокола Modbus

Протокол Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит компании Schneider Electric) для обмена данными между контроллерами и модулями ввода/вывода. Он основан на архитектуре «клиент-сервер» и является открытым, поэтому любой к нему имеется доступ к структуре пакетов и может свободно применять этот протокол в собственных устройствах и программных модулях. Протокол Modbus является наиболее распространенным решением обмена данными между средствами автоматизации, как для промышленной автоматизации, так и для автоматизации зданий. Причиной распространенности протокола Modbus является простота его реализации.

Протокол Modbus имеет несколько разновидностей:

- протокол RTU использует команды, в которых все символы передаются в 16-разрядном виде;

- протокол ASCII http://autoworks.com.ua/setevye-resheniya/modbus-ascii/использует команды, в которых все символы передаются как ASCII код отдельного символа.

Протокол Modbus поддерживает 4 типа данных:

- Discrete Inputs - один бит, доступен только для чтения;

- Coils - один бит, доступен для чтения и записи;

- Input Registers -- 16-битный беззнаковый или знаковый тип, доступен только для чтения;

- Holding Registers -- 16-битный беззнаковый или знаковый тип, доступен для чтения и записи.

Спецификация протокола Modbus состоит из трех частей:

а) документ Modbus Application Protocol содержит описание для прикладного уровня модели OSI: пакет, который называется PDU (Protocol Data Unit), один и тот же для всех физических уровней модели. PDU помещается в уникальный для каждого транспортного уровня application data unit (ADU), состав PDU и коды функций.

б) документ протокол Modbus over serial line содержит описание канального и физического уровней модели OSI для интерфейсов RS-485 и RS_232. Вообще, можно использовать любой физический уровень, основанный на асинхронном ресивере/трансивере.

в) документ Modbus Messaging on TCP/IP Implementation Guide содержит описание ADU для передачи через TCP/IP.

Modbus RTU- это открытый сетевой протокол передачи данных, для построения сетей между программируемыми логическими контроллерами. Modbus RTU стал де-факто стандартом сетевых протоколов в сфере промышленной автоматизации. RTU имеет шинную топологию и использует модель ведущий/ведомый, как метод доступа к шине. Принято называть процесс ведущего клиентом, а процесс ведомого сервером.

Канальный уровень Modbus RTU позволяет использовать адресацию с идентификацией узлов. Каждое ведомое устройство имеет свой уникальный адрес. Ведущее устройство в адресации не нуждается, поскольку мастер в сети может быть только один. При индивидуальном запросе, клиент формирует сообщение и оправляет его по необходимому адресу. Сервер обрабатывает это сообщение и отправляет ответ. Для отсылки широковещательных сообщений используется нулевой адрес.

Режим RTU использует в качестве физического интерфейса RS-232 или RS-485. Именно применение этих интерфейсов и отличает эту спецификацию протокола от TCP (так же известным как IP, EtherNet илиTCP/IP), который использует физический уровень EtherNet.

Отличие от ASCII спецификации Modbus RTU заключается в структуре сообщения и его кодировке. Сообщение использует 8 бит данных из выделенных 11. Формат сообщения представляет собой 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит паритета +1 стоповый или без паритета +2 стоповых. Контрольная сумма высчитывается по алгоритму CRC16. Разграничивают кадры между собой с помощью пауз. Формат кадра для RTU режима обмена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Формат кадра для RTU режима обмена

Modbus ASCII - это спецификация сетевого протокола обмена данных, для обеспечения сетевой связи между интеллектуальными устройствами. Так же как и все другие спецификации Modbus ASCII является одномастерным протоколом, функционирующим по принципу «ведущий-ведомый». Modbus ASCII использует шинную топологию, с использованием сетевых интерфейсов RS-232 или RS-485.

Основным отличием Modbus ASCII от RTU является использование специальной таблицы значений. Каждому символу отвечают 2 байта данных, соответственно их используется в 2 раза больше, однако расшифровка и сетевое управление осуществляется намного проще. Задержка между кадрами допустима в пределах 1 секунды. Сеть, построенная на использовании этой версии протокола, может включать в себя до 31 узла.

Структура сообщения имеет следующий вид: каждый байт передается в шестнадцатеричном представлении. В таком случае байты данных, код функции и байт поля проверки передаются в виде 0-9, A-F.

Для разграничения отдельных кадров используется символ «:» и специализированная последовательность «CR LF». Формат кадра представляет собой следующую последовательность: 1 стартовый, 7 битов данных 1 бит паритета + 1 стоповый или без паритета + 2 стоповых. Формат кадра для ASCII режима обмена представлено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Формат кадра для ASCII режима обмена

Специальные приемники на шине отслеживают символ «:», который указывает на начало кадра. По принятию символа, отлавливаются поля адресации. Таким образом, легко реализовывается синхронизация устройств.

Так как, в Modbus ASCII используется стартовая и столбовая последовательность в разграничении, спецификация не чувствительна к значительным паузам между символами.

Для разрабатываемого устройства более подходящим протоколом ModBus будет ASCII. При использовании ASCII режима каждый байт сообщения передается как два ASCII символа. Главное преимущество этого способа время между передачей символов может быть до 1 секунды (допустима задержка до 1 секунды между двумя соседними символами), без возникновения ошибок при передаче, что очень важно в промышленности.

Режим RTU не выбран из-за того, что при передаче данных, кадры между собой разграничиваются с помощью пауз, что при использовании ПК с операционной системой без реального времени будут ошибки при приеме, поскольку будут задержки. Отличие от ASCII спецификации Modbus RTU заключается в структуре сообщения и его кодировке. В ASCII каждому символу отвечают 2 байта данных, соответственно их используется в 2 раза больше, однако расшифровка и сетевое управление осуществляется намного проще.

Основным отличием Modbus ASCII от RTU является использование специальной таблицы значений. Каждому символу отвечают 2 байта данных, соответственно их используется в 2 раза больше, однако расшифровка и сетевое управление осуществляется намного проще. Задержка между кадрами допустима в пределах 1 секунды.

Протокол обмена Modbus поддерживается большинством промышленных (scada) систем, существуют большое количество свободно распространяемых библиотек/программ с открытым исходным кодом.

3.2 Использование свободно распространяемой библиотеки Freemodbus

Роль мастера (master) будет выполнять ПК, роль ведомого (slave) - avr atmega168. За основу взято: для ведомого (slave) - freemodbus; для ведущего (master) - qmodbus.

Freemodbus - реализация ведомого устройства (slave), поддерживает modbus-rtu, modbus-ascii, modbus-tcp, портирован на большое количество архитектур, в том числе и для atmega avr.

Компиляция Freemodbus.

Для сборки под AVR редактируется Makefile, изменяются переменные СС, OBJCOPY, AVRDUDE. В них надо указываем путь к соответствующим программам. В данном случае путь указан в переменной окружения PATH, поэтому просто указываются имена программ:

CC=avr-gcc

OBJCOPY=avr-objcopy

AVRDUDE=avrdude

Далее задается используемый AVR микроконтроллер:

MCU = atmega8

В CFLAGS указывается используемый кварц - 16 МГц:

-DF_CPU=16000000UL

Из сборки используются elf и hex:

all: $(TARGET).elf $(TARGET).hex

Доступ к данным в modbus.

В описании протокола modbus определено четыре типа данных:

- Discrete Inputs размером один бит и доступен только на чтение;

- Coils размером один бит и доступен на чтение и на запись;

- Input Registers представляет собой 16-битный регистр доступный только на чтении;

- Holding Registers представляет собой 16-битный регистр доступный на чтение и на запись.

Для каждого типа в freemodbus надо реализовать функцию, обеспечивающую доступ к данным.

Для Input Registers:

eMBErrorCode eMBRegInputCB ( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs ).

Для Holding Registers:

eMBErrorCode eMBRegHoldingCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode ).

Для Coils:

eMBErrorCode eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNCoils, eMBRegisterMode eMode ).

Для Discrete Inputs:

eMBErrorCode eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete ).

В этих функциях pucRegBuffer - массив, в который будут записаны значения регистров при чтении, или из которого будут считаны значения регистров которые надо записать; usAddress - начальный адрес регистров; usNRegs, usNDiscrete, usNCoils - количество регистров; eMode - режим чтения или записи.

У каждого типа регистров в ModBus есть свое адресное пространство, поэтому регистры разного типа могут иметь одинаковые адреса.

В файле modbus-v1.5.0/faily/AVR/modbus.c используется следующий код функций eMBRegInputCB и eMBRegHoldingCB:

eMBErrorCode

eMBRegInputCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs )

{ eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;

if( ( usAddress == 1 ) && ( usNRegs == 1 ) ) {

*pucRegBuffer++ = 0;

*pucRegBuffer++ = ~PINA; }

else { eStatus = MB_ENOREG; }

return eStatus; }

eMBErrorCode

eMBRegHoldingCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNRegs, eMBRegisterMode eMode )

{ eMBErrorCode eStatus = MB_ENOERR;

if( ( usAddress == 1 ) && ( usNRegs == 1 ) ) {

if( eMode == MB_REG_READ ) {

*pucRegBuffer++ = 0;

*pucRegBuffer++ = ~PINB; }

else { pucRegBuffer++;

PORTB = ~(*pucRegBuffer++); } }

else { eStatus = MB_ENOREG; }

return eStatus; }

В качестве реализаций eMBRegCoilsCB и eMBRegDiscreteCB оставим функции - “заглушки”:

eMBErrorCode eMBRegCoilsCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress,

USHORT usNCoils, eMBRegisterMode eMode )

{ return MB_ENOREG; }

eMBErrorCode eMBRegDiscreteCB( UCHAR * pucRegBuffer, USHORT usAddress, USHORT usNDiscrete )

{ return MB_ENOREG; }

Согласно описанию протокола modbus существует три варианта реализации: RTU, ASCII и TCP. Выбран - modbus ASCII.

Для настройки соединения в freemodbus надо вызывать функцию eMBInit:

eMBErrorCode eMBInit( eMBMode eMode, UCHAR ucSlaveAddress, UCHAR ucPort, ULONG ulBaudRate, eMBParity eParity );

где: eMode - тип реализации, MB_RTU или MB_ASCII; ucSlaveAddress - адрес устройства на шине modbus; ucPort - номер CОМ порта, в реализации для avr atmega не имеет значения; ulBaudRate - скорость обмена 38400; eParity - контроль четности: MB_PAR_NONE - без контроля четности, MB_PAR_ODD - дополнение до нечетности , MB_PAR_EVEN - дополнение до четности.

Настройки для протокол modbus ASCII следующие: адрес контроллера 10, скорость 38400, включен контроль дополнения до четности:

eStatus = eMBInit( MB_ ASCII, 10, 0, 38400, MB_PAR_EVEN ).

Modbus TCP и modbus RTU не используются, поэтому следует их отключить как ненужные части кода. Для этого используется файл modbus/include/mbconfig.h, где следует заменить заменим (1) на (0) у дефайнов MB_RTU_ENABLED и MB_TCP_ENABLED:

/*! \brief If Modbus ASCII support is enabled. */

#define MB_ASCII_ENABLED ( 1 )

/*! \brief If Modbus RTU support is enabled. */

#define MB_RTU_ENABLED ( 0 )

/*! \brief If Modbus TCP support is enabled. */

#define MB_TCP_ENABLED ( 0 )

3.3 Алгоритмы работы программы управления модулем дискретного ввода - вывода

На рисунке 3.3 показан главный цикл программы управления модулем ввода - вывода. В блоке инициализации происходит настройка периферийных модулей (SPI и UART), устанавливается скорость обмена и формат данных. Так же производится инициализация библиотеки Freemodbus, настройка адресов самого ведомого устройства и его регистров, производится запуск обработчика прерывания. Алгоритм работы блока инициализации показан на рис. 3.4.

Рисунок 3.3 - Главный цикл программы

В бесконечном цикле выполняется последовательно чтение состояния входов, для этого вызывается функция GetIO(), которая записывает состояние входов модуля в две переменные типа unsigned char - HregInput для старших 8 входов и в LRegInput для младших. Алгоритм работы функции GetIO() показан на рис. 3.5.

Рисунок 3.4 - Алгоритм работы подпрограммы инициализации

В бесконечном цикле также вызывается функция eMBPoll(), которая производит парсинг сообщений в очереди UART и вызовом соответствующих функций обратного вызова производит запись или чтение данных. Алгоритм работы этой функции не показан, так как является частью библиотеки Freemodbus.

Рисунок 3.5 - Алгоритм работы блока считывания состояния входов

В бесконечном цикле после обработки сообщений Modbus происходит установка выходов модуля функцией SetIO() в соответствии с данными полученными через интерфейс UART. Алгоритм работы этой функции показан на рис. 3.6

Рисунок 3.6 - Алгоритм работы блок установки выходов

3.4 Отладка протокола с использованием свободно распространяемой программы QModBus

QModBus, кросcплатформенная реализация на Qt, компилируется под windows и под linux. Поддерживает modbus-rtu и modbus-ascii.

Рисунок 3.7 - Окно программы монитора протокола ModBus

Для отладки обмена между измерителем и ПК используется программа QModbus. Запускаем QModBus. Устанавливаем соответствующий COM-порт, скорость 38400, 8 бит данных, контроль дополнения до четности, 1 стоп бит. Slave ID - адрес контроллера avr на шине modbus равен 10.

Читаем состояние кнопок, для этого выбираем команду «Read Input Registers», выставляем адрес регистра = 0, и количество = 1. После нажатия на кнопку Send происходит обмен. Считанное из AVR значение отображается в поле Data.

дискретный гальванический сдвиговый регистр

Выводы

Во время выполнения дипломной работы была рассмотрена литература и проведен обзор технического материала предоставляемого фирмами - производителями промышленного оборудования. Среди огромного ассортимента средств распределенного ввода - вывода очень важно учитывать ремонтопригодность (применяемая элементная база) и наличие послегарантийного обслуживания.

Для реализации возможности одновременной работы с большим количеством входных и выходных дискретных сигналов выбрано схемное решение на базе сдвиговых регистров. Для гальванической развязки каналов между собой и питающими линиями использована схема оптронной развязки. Подключение управляющего микроконтроллера и регистров сдвига происходит через интерфейс SPI. Преобразователь уровней RS-485 и TTL также снабжены оптронной изоляцией и раздельным источником питания. Так же в наличии светодиодная индикация состояния модуля.

Для реализации стека протокола ModBus выбрана свободно распространяемая библиотека FreeModBus, которая содержит полностью готовые к работе функции, и позволила без лишних сложностей интегрировать в свой проект поддержку ModBus ASCII. Так же разработаны алгоритмы работы функций инициализации, записи и чтения информационных каналов, а также основной цикл программы.

Литература

1 Новоселов С.П. Методичні вказівки з дипломного проектування для студентів усіх форм навчання спеціальностей 7.05020201 «Автоматизоване управління технологічними процесами», 7.05020202 «Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва» / Упоряд.: С.П. Новоселов, Б.О. Шостак, І.В. Жарікова. - Харків: ХНУРЕ, - 2012. - 60с.

2 Дзюндзюк Б.В. Методичні вказівки до виконання розділу «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях» у дипломних проектах (роботах) ОКР «спеціаліст» усіх форм навчання факультетів РТ, ЕТ, ТКВТ, АКТ Упоряд.: Б.В. Дзюндзюк, Є.М. Анпілогов, Т.Є. Стиценко - Харків: ХНУРЕ, 2011. - 32с.

3 Соколова Л.В. Методичні рекомендації до виконання економічної частини дипломних проектів, робіт для студентів денної та заочної форми навчання усіх спеціальностей / Упорядник Л.В.Соколова, О.І. Горбач, С.В. Гришко, Є.В. Діденко, Л.В. Левченко, Г.М. Путятіна, В.Г. Харченко. - Харків: ХНУРЕ, 2010. - 14с.

Размещено на Allbest.ru