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基于GD32E231的Modbus_RTU(RS485)现场总线Remote Inputs/Outputs Modules系统设计

已有 1173 次阅读2019-6-22 23:19

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PCB原理图及打样文件https://lceda.cn/editor#id=|2757f12a27324aebac45ee8b3f120693|f2b5d7b53466488fa332b206a804c7ed|53e5f75b74e64987a75c6cf6a065912c|65f4d1c274b846c5bd36727f267aa75f

科技发展日新月异，无论是在生活中，还是在办公场所，我们都会接触到各种各样的电子设备。而众多电子设备共同工作，也会产生一些信号源，为了更好地传输及采集信号，远程IO模块、信号变送器、信号采集模块等工业控制产品被开发出来。
那么，远程IO模块有什么用？它的功能是什么？
以前，人们在铺设现成与盘柜之间的线路时，必须一根一根的连接，大大增加了线缆的成本和施工的时间，且如果距离都比较远还要面临电压衰减等问题。而有了远程IO模块，则有效的解决了这一问题。
假如你的盘柜距离现场有200米，不使用远程IO，那么你每一条信号线都要放线200米，那么将远程IO模块安装在现场，可以从成本上为你节省了众多线缆的钱以及减少了施工的复杂性。
简单来说，有时候，会把一些IO设置在现场设备集中，距离中控又远的地方，然后通过光纤接回中控室，就是为了节省电缆采购和施工。有时候，逻辑上的“远程”是因为“本地IO”允许数量无法满足实际需要，需要接“远程IO模板”，具体要看实际情况了。
此外，一般机柜间是放在装置现场的。但有些控制信号，比如急停、旁路等控制信号在控制室实现，所以需要采用远程IO模块，把这些信号送到机柜间内控制系统。

分布式远程IO模块如今已应用在众多领域之中，它作用是大的。那么，关于分布式远程IO模块的特点你知道吗？

1、减少控制盘台的数量

采用分布式远程IO模块对锅炉、汽机、发电机等设备的金属温度进行监测可以减少控制盘台的数量，缩小控制室面积和空间使控制室整齐美观，而且可有效提高视点的可靠性、测量精度。

2、减少了安装费用

分布式远程IO模块比DCS更节约硬件设备，使用分布式远程IO模块，可以大量的减少安全栅、隔离器、远程IO模块、现场电缆和接线端子，这样就节省了IO装置以及安装这些装置的机柜和空间，减少了安装费用。

3、可靠性

分布式远程IO模块的安全栅、隔离器、端子柜、IO模件、现场电缆和接线端子的数量大大减少。现场信号采用数字传输，大大提高了系统的抗干扰能力。这些因素均使分布式远程IO模块可靠性得到了提高！

4、维修性

由于现场级彻底分散，同时大量的减少安全栅、隔离器、I/O模件、现场电缆和接线端子。因此分布式远程IO模块大大提高其维护性能。

5、分散性

与传统的DCS相比较，分布式远程智能I/O体现了更彻底的分散性，它每20通道的数据采集处理都才用独立的电源、CPU，因此故障也被分散。即使任何一个前端的故障也不影响其他前端的正常运行。

6、环境适应能力

分布式远程IO模块环境温度为-20—70，防护等级为IP56，因此适用于锅炉顶部等温度环境比较恶劣的场所。

下面基于GD32E231的Modbus_RTU(RS485)现在总线Remote Inputs/Outputs Modules系统设计开发：

2功能介绍

电源：外部DC24V输入，经DC-DC降压到DC3.3V，给整个系统供电（GD32E231、输入光耦、输出光耦、LED、RS485）。

RS485转换：GD32E231的USRAT0经MAX483电平转换成RS485和外部通信。

输入IO：外部数字量DC24V输入，经电阻降压，控制光耦，耦合给GD32E231输入引脚。光耦起着和外部信号隔离。

输出IO：GD32E231输出引脚控制光耦，耦合外部MOS管，从而控制输出。光耦起着和外部信号隔离。

3Modbus_RTU现场总线介绍

MODBUS协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

Modbus 是一个请求/应答协议。

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus 协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

1、在Modbus网络上转标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由 Modem组网。控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus 协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

传输方式 ASCⅡ & RTU模式

2、在其它类型网络上转输在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。

3、查询—回应周期

（1）查询

查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码 03 是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。

数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

（2）回应

如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

4支持的功与特点

Modbus Message Structure

The Modbus protocol uses 16-bit words (registers) divided into two bytes of 8 bits.

A Modbus message starts with a header followed by a 1-byte address. A Modbus

message uses a Modbus function code (see page 67) as its first byte.

The table below describes the full structure of a Modbus RTU message: