CAN+Modbus總線設備在工業(yè)生產中的應用

于小鯤

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現(xiàn)場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協(xié)議 CAN+Modbus現(xiàn)場總線設備設計 現(xiàn)場總線設備的網(wǎng)絡構成 人機界面組態(tài)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業(yè)熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業(yè)增加效益，為生產安全必須監(jiān)測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業(yè)儀控中心采用了CAN+Modbus的現(xiàn)場溫度采集設備加組態(tài)軟件（國產組態(tài)王）的方式來完成對銅水套溫度的監(jiān)測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議最初是以研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，它是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。CAN總線以其高可靠性、實時性等優(yōu)點，而被廣范應用于工業(yè)控制領域。

Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協(xié)議的通用性而研發(fā)的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡

CAN+Modbus網(wǎng)絡由現(xiàn)場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現(xiàn)場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網(wǎng)連接。系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數(shù)據(jù)采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統(tǒng)采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節(jié)點，可以節(jié)約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發(fā)網(wǎng)絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發(fā)器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數(shù)和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數(shù)據(jù)轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數(shù)據(jù)到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數(shù)據(jù)是否是一個完整的Modbus數(shù)據(jù)幀，如果不是則為幀中數(shù)據(jù)片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數(shù)據(jù)進行處理。LMP90100設置為連續(xù)轉化方式，通過外部中斷通知CPU數(shù)據(jù)轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數(shù)據(jù)并放入緩存區(qū)等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業(yè)的銅水套測溫系統(tǒng)中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網(wǎng)絡構成和軟硬件的實現(xiàn)。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協(xié)議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩(wěn)定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經(jīng)充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現(xiàn)場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協(xié)議 CAN+Modbus現(xiàn)場總線設備設計 現(xiàn)場總線設備的網(wǎng)絡構成 人機界面組態(tài)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業(yè)熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業(yè)增加效益，為生產安全必須監(jiān)測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業(yè)儀控中心采用了CAN+Modbus的現(xiàn)場溫度采集設備加組態(tài)軟件（國產組態(tài)王）的方式來完成對銅水套溫度的監(jiān)測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議最初是以研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，它是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。CAN總線以其高可靠性、實時性等優(yōu)點，而被廣范應用于工業(yè)控制領域。

Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協(xié)議的通用性而研發(fā)的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡

CAN+Modbus網(wǎng)絡由現(xiàn)場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現(xiàn)場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網(wǎng)連接。系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數(shù)據(jù)采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統(tǒng)采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節(jié)點，可以節(jié)約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發(fā)網(wǎng)絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發(fā)器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數(shù)和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數(shù)據(jù)轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數(shù)據(jù)到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數(shù)據(jù)是否是一個完整的Modbus數(shù)據(jù)幀，如果不是則為幀中數(shù)據(jù)片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數(shù)據(jù)進行處理。LMP90100設置為連續(xù)轉化方式，通過外部中斷通知CPU數(shù)據(jù)轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數(shù)據(jù)并放入緩存區(qū)等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業(yè)的銅水套測溫系統(tǒng)中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網(wǎng)絡構成和軟硬件的實現(xiàn)。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協(xié)議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩(wěn)定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經(jīng)充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現(xiàn)場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協(xié)議 CAN+Modbus現(xiàn)場總線設備設計 現(xiàn)場總線設備的網(wǎng)絡構成 人機界面組態(tài)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業(yè)熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業(yè)增加效益，為生產安全必須監(jiān)測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業(yè)儀控中心采用了CAN+Modbus的現(xiàn)場溫度采集設備加組態(tài)軟件（國產組態(tài)王）的方式來完成對銅水套溫度的監(jiān)測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議最初是以研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，它是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。CAN總線以其高可靠性、實時性等優(yōu)點，而被廣范應用于工業(yè)控制領域。

Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協(xié)議的通用性而研發(fā)的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業(yè)設備網(wǎng)絡

CAN+Modbus網(wǎng)絡由現(xiàn)場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現(xiàn)場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網(wǎng)連接。系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數(shù)據(jù)采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統(tǒng)采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節(jié)點，可以節(jié)約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發(fā)網(wǎng)絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發(fā)器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數(shù)據(jù)速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數(shù)和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數(shù)據(jù)轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數(shù)據(jù)到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數(shù)據(jù)是否是一個完整的Modbus數(shù)據(jù)幀，如果不是則為幀中數(shù)據(jù)片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數(shù)據(jù)進行處理。LMP90100設置為連續(xù)轉化方式，通過外部中斷通知CPU數(shù)據(jù)轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數(shù)據(jù)并放入緩存區(qū)等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業(yè)的銅水套測溫系統(tǒng)中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網(wǎng)絡構成和軟硬件的實現(xiàn)。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協(xié)議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩(wěn)定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經(jīng)充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint