工业现场测量多采用独立的仪表,具有各参数监测的非实时控制以及人工采集数据重复劳动量大等缺点,且对采集系统的组网使用自定的协议,通用性和可移植性比较差。为此设计了基于MODBUS协议和RS-485总线的工业智能通讯模块,它可以对不同仪表的输出信号进行统一方式的数据采集并按照统一的通讯协议对数据进行远传。具有功耗小、结构简单、使用方便且抗干扰能力强等特点。
一、模块总体设计和功能
自动化系统基本上是采用4~20 mA(或0~10 V)模拟信号或者带有标准的RS-232接口的仪表进行检测和控制的。总体的设计原则是要求通讯模块以其通用性、多功能和低功耗等特点,可以作为仪表本身传输数据以及组网的一种功能,直接组装到仪表内部,由仪表供电。也可以单独作为一种功能模块,与控制系统的检测仪表或模拟数据采集系统配合使用,由电池供电。并且通讯模块是基于远程控制的数据采集,不仅要求能够准确地接收、识别发送至通讯模块的命令字符串,还要求准确无误地返回设备的状态信息,同时还要根据命令字符串的控制指示对采集数据等进行正确的控制。
通讯模块的总体设计大致分为硬件设计和软件设计两个部分。在硬件设计上尽可能地选用低功耗的器件,在软件编程上实现元器件的低功耗编程控制。
二、通讯模块硬件框图与设计原理
通讯模块的硬件设计要求既能有数字通道对RS-232电平信号进行处理,又存在模拟通道对模拟信号进行处理和远传。其控制器核心采用的是Flash型超低功耗16位单片机MSP430F149o该单片机具有集成度高(片内集成12位A/D、硬件乘法器、模拟比较口以及双串行接口等模块)、功能丰富、超低功耗(在LPM4时可达0.1μA)等技术特点的单片机,它有多种功耗状态可以编程控制,并可利用双串口、低功耗等功能以及C语言编程来实现对整个通讯模块功能的设置。模块通讯模块硬件原理框图如图1所示。
1、模拟信号通道
在模拟信号传输通道中,模数转换的处理采用了AD7715,AD7715具有16位无误码输出,0.0015%非线性度,前端增益可编程、内设自校准电路和低功耗等优点。模拟电流和电压信号可转换为符合其输人范围内的电压信号,输人AD7715进行A/D转换。由单片机控制实现AD7715的初始化和数据采集等。
2、RS-232接口电路