基于Modbus通信協(xié)議的臭氧發(fā)生器監(jiān)控系統(tǒng)

周恒輝， 焦 斌

(上海電機學院 電氣學院，上海 201306)

臭氧因其強氧化還原能力和極易分解為氧的不穩(wěn)定性，具備了很強的殺菌消毒能力，并且在應用的過程中不會造成二次污染。臭氧自身性質上所具備的優(yōu)越性使其在包括水處理、醫(yī)療保健、食品加工保鮮、農(nóng)業(yè)等各個領域得到廣泛應用。目前，在國內(nèi)外介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)法是大量制備臭氧的主流方法[1]。

當前生產(chǎn)中，在保證臭氧發(fā)生器自身高效率與低成本的基礎上[2]，已逐步向生產(chǎn)和管理自動化轉變。本文設計的控制系統(tǒng)主要以C2000微控制器(Micro Controller Unit, MCU)為核心，實現(xiàn)上位機對臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的監(jiān)控功能，進而保證臭氧發(fā)生器高效、平穩(wěn)地運行。其控制電路結構如圖1所示。其中，上位機監(jiān)控的實現(xiàn)是通過觸摸屏來對臭氧電源的運行狀況進行實時監(jiān)控。以RS-485為通信接口，通過Modbus通信協(xié)議來連接MCU和觸摸屏，從而實現(xiàn)良好的人機交互界面，并具有操作便捷、價格低廉和可靠性高等特點。系統(tǒng)的安全運行對更大規(guī)模的臭氧發(fā)生器系統(tǒng)具有重要意義。

圖1 控制電路結構框圖

1 臭氧電源控制系統(tǒng)通信模塊的設計

本文的主要工作是對臭氧發(fā)生器開關電源的整體結構及其控制系統(tǒng)的通信模塊進行設計與完善。以控制芯片TMS320F28335為核心，對系統(tǒng)實時測量獲得的重要參數(shù)經(jīng)A/D采樣處理后，通過電源上的RS-485通信接口，使用AB兩根線在Modbus協(xié)議下與上位機MCGS軟件相接，通過觸摸屏實現(xiàn)對整個電源系統(tǒng)運行狀態(tài)及檢測信號的監(jiān)測與控制。

1.1 臭氧電源的主電路設計

臭氧發(fā)生器開關電源主電路框圖如圖2所示。針對臭氧發(fā)生器的負載特性[3-5]，本文采用了負載串聯(lián)諧振電源的設計，研制出了一種高效、低成本且穩(wěn)定性高的高頻智能電源。主電路包括了前后兩級，分別為維也納有源功率因數(shù)校正整流電路和電壓型移相全橋逆變器。

圖2 臭氧發(fā)生器開關電源主電路框圖

1.2 Modbus通信協(xié)議功能概述

Modbus通信協(xié)議是由Modicon公司最先倡導的一種應用在電子控制器上的通用語言。不同廠商生產(chǎn)的控制設備都可以連接成一個工業(yè)網(wǎng)絡進行集中監(jiān)控[6]，使得成千上萬的自動化設備都能進行通信，已成為一通用工業(yè)標準。該協(xié)議用于主從站通信，采用通用異步收發(fā)(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)接口完成通信，物理層采用RS-485總線。目前，Modbus通信協(xié)議的常用傳輸速率為1 200～19 200 bit/s，且理論上一臺主機可與至多247臺從機進行通信，但實際上由于受到線路與設備的限制最多只能與32臺從機進行通信。通信模塊結構框圖如圖3所示。

圖3 通信模塊結構框圖(RS-485總線)

Modbus通信協(xié)議的傳輸方式有兩種：遠程終端單元(Remote Terminal Unit, RTU)模式和美國標準信息交換代碼(American Standard Code for Information Interchange, ASCII)模式。ASCII模式是將1個字節(jié)分成2個ASCII字符進行傳輸(2個16進制字符)，而RTU模式是以16進制對數(shù)據(jù)進行傳送，且1個字節(jié)就是1幀，因此它的傳輸效率遠大于ASCII模式，目前在大多數(shù)工業(yè)應用上都采用RTU模式對數(shù)據(jù)進行傳輸[7-8]。RTU傳輸模式的特性如表1所示。8位2進制編碼(16進制數(shù)0～9，A～F)：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位(最小的有效位先發(fā)送)，1個奇偶校驗位或無，1個停止位(有校驗時)或2個停止位(無校驗時)，錯誤檢測域為循環(huán)冗長檢測(Cyclic Redundancy Check, CRC)。

表1 RTU傳輸模式的特性 bit

RTU數(shù)據(jù)幀的標準結構如表2所示，包括了從機地址域、被執(zhí)行命令形式的功能碼、被請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域、錯誤校驗域。通信首先是由主機向從機發(fā)送地址，所有從機都會接收該地址與本機進行比對，只有地址相同的從機才會繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包的其他幀，否則不作處理。當從機成功接收了數(shù)據(jù)之后會生成相應的CRC校驗碼來和主機傳輸過來的CRC校驗碼進行比對。若相同則正確，從機便會在執(zhí)行了功能碼所需命令后將生成的數(shù)據(jù)包回送給主機；若不同則出錯，從機就會將錯誤的數(shù)據(jù)包(功能碼的最高位置位)回送給主機。主機發(fā)出的兩個RTU數(shù)據(jù)包的間隙需大于3.5幀，因從機檢測線路上的空閑時間要大于3.5幀才會默認當前主機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀已傳輸完畢。并且在同一個RTU數(shù)據(jù)包中，幀與幀的間隔也不能超過3.5幀，否則下一幀數(shù)據(jù)會被默認為地址幀，所有從機都會對其進行接收而產(chǎn)生通信錯誤。通信程序流程如圖4所示。該協(xié)議采用CRC16校驗作為串行檢測糾錯的一種手段，在軟件中引入定時器解決傳輸中響應幀丟失，發(fā)送方不斷重發(fā)，無休止等待接收方確認的問題。因此，本系統(tǒng)約定若重發(fā)的次數(shù)超過3次，則認為串行通信出現(xiàn)了故障，上位機進行通信故障報警。

表2 RTU數(shù)據(jù)幀的標準結構

圖4 通信程序流程圖

2 RS-485總線在系統(tǒng)中的設計

目前，常見的串行通信方式主要有RS-485和RS-232總線標準[9]。但由于RS-232通信總線傳輸數(shù)據(jù)速率低、距離短且易受外部環(huán)境的干擾，可靠性不高。而RS-485總線通信模式具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、距離遠且結構簡單、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛用于工業(yè)控制。RS-485總線以雙絞線為物理介質，總線接口標準以差分平衡方式對信號進行傳輸，具有很強的抗干擾能力，允許雙絞線上一個主機可對多個從機設備進行控制。

2.1 TMS320F28335控制芯片串行通信接口模塊的特點

串行通信接口(Serial Communication Interface, SCI)接收與發(fā)送有各自獨立的信號線，且支持16級的接收與發(fā)送先進先出隊列(First Input First Output, FIFO)，從而減小了串口通信時CPU的開銷。此外，該模塊的收發(fā)線并不是用的同一時鐘，即可看作是UART接口。當此模塊不作FIFO緩沖使用時，SCI收發(fā)器可使用雙級緩沖來對數(shù)據(jù)進行傳輸且具有各自獨立的中斷和使能位，可實現(xiàn)雙工通信。為減輕軟件的負擔，SCI還采用了硬件對通信數(shù)據(jù)進行極性和數(shù)據(jù)格式上的檢查。此外，為配置不同的SCI通信速率，可通過對16位的波特率控制寄存器進行編程[10-11]。

TMS320F28335控制芯片的SCI模塊擁有中斷和查詢這兩種串行通信方式。本文選用較為簡單、易實現(xiàn)的查詢方式。MCU通信初始化程序如下：

{

SciaRegs.SCIFFTX.all=0xE040;

SciaRegs.SCIFFRX.all=0x204F;

SciaRegs.SCIFFCT.all=0x0000;

//禁用發(fā)送FIFO，使能接收FIFO

SciaRegs.SCICCR.all=0x0007;

//1位停止位，無奇偶檢驗位，8個數(shù)據(jù)位

SciaRegs.SCICTL1.all=0x0003;

SciaRegs.SCICTL2.all=0x0000;

//通信使能，通信中斷禁止，關閉睡眠模式，關閉接受糾錯

SciaRegs.SCIHBAUD=0x0001;

SciaRegs.SCILBAUD=0x00E7;

//波特率設置為9600

SciaRegs.SCICTL1.all=0x0023;

//復位，使能發(fā)送與接收

}

SCI模塊接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的方式相類似，接收數(shù)據(jù)的程序流程如圖5所示。MCU在接收數(shù)據(jù)時，要先使能FIFO，再對SCI接收狀態(tài)寄存器SCIRXST的RXRDY位進行查詢。當有新的數(shù)據(jù)可以從SCIRXBUF寄存器讀取的時候，該位置1，直至接收完畢。

圖5 接收數(shù)據(jù)程序流程圖

2.2 RS-485通信轉換電路設計

在實際應用中，MCU與上位機在進行通信時需進行電平轉換[12-13]。因為MCU芯片輸出與接收的是晶體管-晶體管邏輯(Transistor-Transistor Logic, TTL)電平，所以要通過RS-485轉換芯片實現(xiàn)TTL電平到RS-485差分電平的轉換，從而能使MCU與上位機之間成功進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3483E系列收發(fā)器芯片適用于RS-422/RS-485通信標準。本文采用的是MAX3491E轉換芯片，引腳配置如圖6所示。該芯片主要有如下特點：3.3 V單電源供電，±15 kV靜電釋放(Electro-Static discharge, ESD)保護，12 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率，2 nA低電流關斷模式，-7～+12 V共模輸入電壓，驅動器過載保護等。

圖6 MAX3491E轉換芯片引腳圖

MCU到上位機之間的RS-485通信轉換電路如圖7所示。MAX3491E轉換芯片的收發(fā)使能是由MCU芯片的XR/W接口實現(xiàn)的。當RS-485通信距離大于20 m時，為了消除通信線路中的信號反射，需在總線兩頭各跨接120 Ω的電阻來匹配總線阻抗。

2.3 基于MCGS組態(tài)軟件的觸摸屏

早期的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)軟件功能都是靠編程實現(xiàn)的，工作量大，軟件通用性差以及易產(chǎn)生錯誤等缺點。隨著工業(yè)控制技術不斷發(fā)展，專用于工業(yè)控制的組態(tài)軟件應運而生。本文采用的是北京昆侖通態(tài)的MCGS組態(tài)軟件作為上位機操作系統(tǒng)。此軟件對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采樣處理，融合了圖像顯示、數(shù)據(jù)處理、流程控制和報表輸出等功能，便于解決實際工程問題[14-15]。針對MCGS組態(tài)軟件配套選用了一體化觸摸屏TPC1162Hi。作為一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏，采用10.4 in(1 in=25.44 mm)高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800600)，4線電阻式觸摸屏(分辨率4096×4096)。同時，還預裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運行版)。

圖7 RS-485通信轉換電路

RS-485通信接線如圖8所示。觸摸屏上COM2串口默認的通信方式為RS-485。引腳7為數(shù)據(jù)接收引腳，引腳8為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，引腳5為接地引腳。當RS-485通信距離大于20 m且出現(xiàn)通信干擾現(xiàn)象時，可通過撥碼開關對終端匹配電阻進行設置，從而成功實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信。再通過以太網(wǎng)接口(RJ45)將計算機與觸摸屏連接，選擇TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議并輸入TPC的IP地址。這樣不僅可在當前觸摸屏上直接進行監(jiān)控，還實現(xiàn)了遠程控制，通過網(wǎng)絡接入其他屏幕，顯示設備運行狀況，對臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。該設計滿足顯示和操作的要求，有功耗低、性能可靠、接線簡單和拆裝方便等優(yōu)點。

圖8 RS-485通信接線圖

當MCU與觸摸屏實現(xiàn)連接時，觸摸屏按鍵所對應的指令代碼就會通過串口發(fā)送給MCU，再由MCU生成對外部電路的控制信號及觸摸屏的顯示信號。此外，為了保證臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的正常運行，需根據(jù)觸摸屏要實現(xiàn)的功能編寫相應的子程序模塊，在控制程序中設定相應的保護，從而在硬件保護失敗的情況下實現(xiàn)軟件的二次保護。另外，還設定了一個合理的故障(被監(jiān)測的參數(shù)瞬時值在額定值的15%范圍以外)檢測次數(shù)來避免干擾信號造成的誤操作，只有當次數(shù)超過了設定值才會停止采樣，停止脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)發(fā)送等操作指令并報警，檢測故障類型并顯示在觸摸屏上，程序進入空循環(huán)。若為干擾信號的話，程序就會將故障信號清零繼續(xù)工作。觸摸屏系統(tǒng)通信控制流程如圖9所示。

圖9 觸摸屏系統(tǒng)通信控制流程圖

3 實驗結果與分析

為對臭氧發(fā)生器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控并實現(xiàn)對電源的軟件保護功能，相應的信號采樣調整電路對交流側電網(wǎng)輸入相電壓、輸入相電流等重要參數(shù)進行測量，并將采集到的電壓、電流等信號轉化成模/數(shù)轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)模塊可以處理的0～3V信號[16]。此外，為使采樣輸入電壓維持在安全范圍內(nèi)，A/D的輸入引腳需外接電平調整電路對其實現(xiàn)保護，從而大大地增強數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。連接到模擬輸入通道(ADCINxx 引腳)的信號要盡可能地遠離數(shù)字電路信號線，確保ADC模塊的供電電源與數(shù)字電源隔離，避免數(shù)字電源的高頻干擾。本文設計的ADC采樣中斷為CPU timer0定時器的觸發(fā)方式，從而對采樣中斷服務子程序進行調用。ADC模塊中的結果寄存器用來存放模數(shù)轉換結果，將10進制的模擬量A轉換成12位數(shù)字量D，則有

(1)

式中：ADCLO為ADC模塊參考電壓值(一般設為0)。

本文采用集成開發(fā)環(huán)境(Code Composer Studio, CCS) 7.4.0版本來實現(xiàn)編程。一方面，通過CCS編程軟件使用C語言編寫程序來實現(xiàn)A/D采樣。此模塊的編程包括了ADC工作時鐘設置、ADC初始化與其工作方式設置以及A/D采樣信號程序等部分。采樣頻率等于系統(tǒng)閉環(huán)控制頻率，且轉換成的數(shù)字量需進行ADC模塊電壓基準校正，從而達到減小誤差提高精度的目的。另一方面，對MCU通信程序進行編寫，實現(xiàn)下位機MCU與上位機觸摸屏之間的通信。

TMS320F28335控制芯片與觸摸屏之間成功地實現(xiàn)了通信，可對整個系統(tǒng)運行過程實時監(jiān)控，當系統(tǒng)發(fā)生故障時能及時報警以便實時做出調整。通過參數(shù)設定MCU對主電路整流模塊的電壓環(huán)、電流環(huán)PI參數(shù)及電壓指令值等進行的調整策略，使得輸入電壓與電流相位幾乎完全相同，且輸入電流總諧波畸變率很小，即功率因數(shù)接近于1，達到了理想的運行效果。示波器顯示的電網(wǎng)側輸入電壓電流波形如圖10所示，驗證了運行效果。

圖10 電網(wǎng)輸入電壓電流波形(示波器顯示)

觸摸屏中顯示的瞬時輸入功率參數(shù)是通過對電網(wǎng)輸入電壓與輸入電流的檢測獲得的。該觸摸屏還對進口處的氧氣壓力、露點與流量及出口處的臭氧壓力、溫度與濃度，進出水溫度等一系列參數(shù)進行實時監(jiān)控，為臭氧發(fā)生器裝置實現(xiàn)了一套完備的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結 語

本文基于Modbus通信協(xié)議，對以C2000 MCU TMS320F28335為控制芯片的臭氧發(fā)生器監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)。利用MCU芯片的SCI模塊并通過RS-485總線實現(xiàn)觸摸屏與多臺MCU的串行通信，保證了數(shù)據(jù)有效可靠地傳輸。通過實驗表明，本文設計的這套監(jiān)控系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對臭氧發(fā)生器系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，而且系統(tǒng)具有較高的靈活性、抗干擾能力以及運行的穩(wěn)定性。本文對更大規(guī)模臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的設計具有借鑒意義。

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