專利名稱：基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及通信領(lǐng)域，特別是涉及一種基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)應用現(xiàn)場，如果傳感器測量的電信號經(jīng)調(diào)理后是電壓信號并且進行長線傳 輸，會產(chǎn)生以下問題第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€會很容易就受到噪聲的干 擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓 也是個問題。為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場大量采用4-20mA電流來 傳輸信號。采用電流信號的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在 回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。Modbus協(xié)議是為了建立智能設備間 的主從通信而開發(fā)的，它是一個開放而且得到廣泛應用的工業(yè)標準網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議由于 具有可靠性和適應性強的優(yōu)點，而被越來越多的智能設備所支持，并且許多工業(yè)控制組態(tài) 軟件也都支持Modbus協(xié)議。傳統(tǒng)的4-20mA執(zhí)行設備(如電動調(diào)節(jié)閥) 一般是連接可編程 控制器PLC，并且通過PLC進行設備組態(tài)的，執(zhí)行設備本身不具有通信和組態(tài)功能。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種可以為執(zhí)行設備增加通信和組態(tài)功能、使執(zhí)行設備 智能化的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)。 為達到上述目的，提供一種依照本實用新型實施方式的基于Modbus協(xié)議的電流
輸出系統(tǒng)，所述電流輸出系統(tǒng)包括 電源，用于為所述電流輸出系統(tǒng)供電； 微控制器，用于輸出脈寬調(diào)制信號，產(chǎn)生可調(diào)電壓并提供給電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置； 電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置，用于將所述可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出。 優(yōu)選地，所述電流輸出系統(tǒng)還包括低通濾波電路，用于濾除所述脈寬調(diào)制信號中
的高次諧波分量。 優(yōu)選地，所述電流輸出系統(tǒng)采用RS-485接口 。 優(yōu)選地，所述電流輸出系統(tǒng)還包括電氣隔離裝置，用于對RS-485通信電路、電流
輸出電路與系統(tǒng)供電電路進行電氣隔離。 優(yōu)選地，所述電氣隔離裝置由若干DC/DC單元組成。 優(yōu)選地，所述電源為12V直流電。 本實用新型所提供的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)利用脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生可 調(diào)電壓提供給電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置，與現(xiàn)有技術(shù)中的A/D芯片相比，具有成本低的優(yōu)點。此 外，本實用新型所提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，可廣泛應用于為執(zhí)行設備增加通信和組 態(tài)功能的場合中。

圖1是本實用新型實施例的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型實施例的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)的電壓/電流轉(zhuǎn)換 裝置的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本實用新型實施例的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)的RS-485接口原理 圖； 圖4是本實用新型實施例的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)的微控制器的核心 電路原理圖； 圖5是本實用新型實施例的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)中涉及的子程序流 程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下 實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。 該實施例提供了一種基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，如附圖1所示，該系統(tǒng)主 要由微控制器(微控制器包含了 UART、 MCU和P麗部分)、隔離電路、低通濾波電路、電壓/ 電流轉(zhuǎn)換電路、RS-485接口電路和電源電路組成。該系統(tǒng)工作于Modbus從機狀態(tài)，并且具 有唯一的模塊地址，每個模塊上輸出電流的大小對應著該模塊的一個寄存器，當該系統(tǒng)接 收到修改電流大小寄存器的Modbus命令后，首先進行Modbus命令反饋，然后改變脈寬調(diào)制 (P麗)信號的占空比，進而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。該輸出電壓經(jīng)過電壓/電路變換芯片轉(zhuǎn)換 為電流輸出。為了避免該電流輸出系統(tǒng)和執(zhí)行設備間電位不同而造成的電流環(huán)路，該實施 例將電流輸出部分的電源與系統(tǒng)供電電源進行了電氣隔離。系統(tǒng)模塊的地址可以通過模塊 上的撥碼開關(guān)進行設置，而通信參數(shù)則是通過修改相應的Modbus寄存器來設定。 該實施例的電流輸出系統(tǒng)的微控制器輸出脈寬調(diào)制信號，脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生可調(diào) 電壓供給所述電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)過傅立葉變換可知，脈寬調(diào)制信號存在與占空比成正 比的直流分量，因此濾除高次諧波分量就可以得到與脈寬調(diào)制信號占空比成正比的電壓信 號。原則上所需要的低通濾波器要求在模擬電壓轉(zhuǎn)換時不產(chǎn)生或者產(chǎn)生很小的誤差。優(yōu)選 地，所述電壓/電流轉(zhuǎn)換電路為德州儀器推出的一款高精度電壓至電流轉(zhuǎn)換器XTRlll，如圖 2所示。該轉(zhuǎn)換器支持標準0 20mA、4 20mA及5 25mA模擬電流或電壓輸出。該轉(zhuǎn)化 器屬于Burr-Brown產(chǎn)品線產(chǎn)品，芯片工作電流為500uA，偏移電流溫漂為5卯m廣C，電源工作 電壓范圍為7V-44V，輸出電流精度為0.015%。輸入電壓和輸出電流的比率由外部電阻設定。 XTR111易于使用且滿足多種應用要求，如工業(yè)控制及三線傳感器系統(tǒng)的模擬電流輸出。 由于Modbus串行協(xié)議是一種主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信協(xié)議，該實施例優(yōu)選RS-485 接口 。 RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收的方式，因而抑制共模干擾的能力較強，加上總線收 發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485 采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路必須由使能信號 加以控制。如圖3所示，RDE為方向控制引腳，RXD和TXD分別連接微控制器的串行收發(fā)引 腳，RS485A和RS485B分別是RS-485的輸出線。利用R4和R5兩個電阻分別將485輸出 線進行上拉和下拉，這兩個電阻的主要作用是在電路驅(qū)動器關(guān)閉時給線路以一個固定的電
4平。F1和F2是自恢復保險，進行過流保護。三個雙向瞬態(tài)抑制二級管T1、T2和T3可以提 供瞬態(tài)抑制，從而保護RS-485總線。 微控制器的CPU單元選用ATMEL公司新推出的AVR系列低功耗控制器ATmegal68。 CPU單元除單片機外還包括復位電路、程序下載JTAG接口 、外部晶振電路、程序運行指示燈 電路。微控制器核心電路原理圖如圖4所示。 本系統(tǒng)供電電壓為12V直流。為了防止RS485通信電路、模塊外部供電電路和電 流輸出電路(電流輸出電路包括隔離電路、低通濾波和V/I轉(zhuǎn)換電路)這三部分由于地電 位不同而產(chǎn)生的相互間地線電流環(huán)路，該實施例采用2個DC/DC模塊將這三部分相互隔離。 12V電源輸入后經(jīng)過一個隔離DC/DC轉(zhuǎn)換為5V，為單片機和電流轉(zhuǎn)換部分供電。另外使用 一個5V到5V的隔離DC/DC隔離出另外一個5V電源，為RS-485電路供電。 該實施例的電流輸出系統(tǒng)的設計優(yōu)選遠程終端設備(RTU)通信模式，并選擇了適 合本采集器的部分功能進行了應用。為了提高中斷的響應速度，所有采集器串行口中斷接 收信息幀數(shù)據(jù)后會對數(shù)據(jù)進行處理，期間只進行循環(huán)冗余校驗(CRC)和地址識別操作。如 果傳輸數(shù)據(jù)不滿足CRC校驗，則所有采集器均不響應，當CRC校驗正確后，各采集器會識別 地址信息，與地址相符的采集器會置標志位。主程序在循環(huán)中檢測到相關(guān)標志位后會調(diào)用 通訊子程序?qū)odbus命令進行處理。其中通訊子程序流程如圖5所示。 本實用新型實施例所提供的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)利用脈寬調(diào)制信號 產(chǎn)生可調(diào)電壓提供給電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置，與現(xiàn)有技術(shù)中的A/D芯片相比，具有成本低的優(yōu) 點。此外，本實用新型所提供的系統(tǒng)功耗低、抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，可廣泛應用 于為執(zhí)行設備增加通信和組態(tài)功能的場合中。 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改 進和變型也應 為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求一種基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電流輸出系統(tǒng)包括電源，用于為所述電流輸出系統(tǒng)供電；微控制器，用于輸出脈寬調(diào)制信號，產(chǎn)生可調(diào)電壓并提供給電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置；電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置，用于將所述可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出。
2. 如權(quán)利要求l所述的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電流輸出 系統(tǒng)還包括低通濾波電路，用于濾除所述脈寬調(diào)制信號中的高次諧波分量。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電流 輸出系統(tǒng)采用RS-485接口。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電流輸出 系統(tǒng)還包括電氣隔離裝置，用于對RS-485通信電路、電流輸出電路與系統(tǒng)供電電路進行電 氣隔離。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電氣隔離 裝置由若干DC/DC單元組成。
6. 如權(quán)利要求1所述的基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述電源為 12V直流電。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Modbus協(xié)議的電流輸出系統(tǒng)，包括電源，用于為所述電流輸出系統(tǒng)供電；微控制器，用于輸出脈寬調(diào)制信號，產(chǎn)生可調(diào)電壓并提供給電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置；電壓/電流轉(zhuǎn)換裝置，用于將所述可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出。本實用新型所提供的系統(tǒng)功耗低、抗干擾性好、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，可廣泛應用于為執(zhí)行設備增加通信和組態(tài)功能的場合中。
文檔編號H03K19/0175GK201490999SQ20092017297
公開日2010年5月26日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者吳文彪, 周平, 周建軍, 孫剛, 孟祥勇, 申長軍, 董大明, 邢振, 鄭文剛, 閆華, 鮑鋒 申請人:北京市農(nóng)林科學院