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关 键 词：工控备件,进口NI,输入模块,自动化
行 业：机械 电工电气 电热设备
发布时间：2023-08-03
AFP3460输入模块
AFP3460输入模块
一、引言
Modbus应用层协议由美国Modicon公司(现为施耐德电气旗下品牌)于1979年开发的，用于实现其PLC产品与上位机的通信。由于其简单易用，得到了广大工业自动化仪器仪表企业的采纳与支持，实际上已成为了业界标准。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等。这些年来，随着PLC的不断发展，网络通讯功能要求越来越高。一方面，网络化，集成化的要求，使得PLC需要越来越多的接入到计算机监控网络中，作为网络的一个节点。另一方面，智能仪表应用越来越广，因此要求PLC具备较多的现场总线接口，能直接与智能仪表进行通讯。鉴于此，1999年施奈德电气发布了Modbus TCP协议，使得以太网上的Modbus设备可以通过502端口进行通信①。
二、模块总体设计
本模块采用基于Cortex-M3内核的新一代ARM LPC1758为CPU主控芯片，工作频率为100 MHz。它内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。同时集成多个标准和先进的通信接口：I2C、SPI、I2S、SDIO、USART、USB Host/Device/OTG、CAN、Ethernet MIC等。本模块硬件结构如图1所示：
图1
CPU通过PHY向以太网总线传输Modbus TCP数据，向RS232或RS485总线传输Modbus RTU数据。考虑工业现场应用，串口接口和LAN接口均需要隔离，才能保证电气上，可靠稳定。支持ISP，便于模块生产。JTAG只有在研发调试时用到。拨码配置主要配置工作模式，IP地址，波特率。
三、硬件设计
CPU LPC1758芯片自身并不集成以太网PHY，而提供了使用RMII（简化的媒体独立接口）协议和片上MIIM（媒体独立接口管理）串行总线、还有MDIO（管理数据输入/输出）来实现与片外以太网PHY之间的连接。本设计采用DP83848C物理层PHY芯片，它是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10／100 Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口)，使设计更简单灵活；同时，支持10BASE～T和100BASE-TX以太网外设，对其他标准以太网解决方案有良好的兼容性和通用性②。
图2为LPC1758和DP83848C之间的接口电路，图3为DP83848C驱动输出隔离电路。
图2 LPC1758和DP83848C之间的接口电路
图3 DP83848C驱动输出隔离电路
PCB布局方面，精度为1％的电阻和100 nF的去耦电容应靠近PHY器件放置，并通过最短的路径到电源。两对差分信号(TD和RD)应平行走线，避免短截，且尽量保证长度匹配，这样可以避免共模噪声和EMI辐射。理想情况下，信号线上不应有交叉或者通孔，同时，差分线应尽可能走在一面。
四、软件设计
本模块设计结构，从功能上可以设计成两种工作模式：Modbus TCP从站模式，Modbus TCP主站模式。Modbus TCP从站模式，是把以太网总线Modbus TCP请求转化成串口总线Modbus RTU请求，也就是以太网设备从PLC读出数据；Modbus TCP主站模式，是把串口总线Modbus RTU请求转化成以太网Modbus TCP请求，也就是PLC从以太网设备读入数据。下面以Modbus TCP从站模式为例。
4.1 模块配置
表1 拨码功能配置表模块配置主要是通过8位拨码开关实现，通过这拨码开关配置模块的工作模式，以太网IP地址，串口RTU地址，波特率。如表1所示：
8位拨码配置
4.2 以太网驱动开发
驱动开发包括两部份：芯片物理层驱动(MAC，PHY)和TCP/IP协议层驱动。芯片物理层驱动主要是对LPC1758的以太网控制器和PHY芯片的初始化和控制输入输出的函数化打包，以便供TCP/IP协议层驱动调用。TCP/IP协议层驱动开发需要参考TCP/IP标准协议，下图4比较清晰明了的介绍TCP/IP协议状态变化图③。
图4 TCP的状态变迁图
对于从站模式（服务器模式），每一个TCP请求连接对应一组状态图，把这些状态归纳入一个结构体，然后再创建结构体链表，系统程序通过维护监测链表，可以实现多客户端同时请求通讯。
4.3 Modbus TCP和Modbus RTU协议开发
参考Modbus TCP和Modbus RTU协议标准，不难实现PLC与本模块的Modbus RTU以及本模块与外部以太网设备的Modbus TCP数据通讯。然后在本模块程序内部完成数据包的Modbus TCP和Modbus RTU之间数据转换，采用透明传输方式，即把从一个端口接收出来的数据转换后立即从另一个端口输出去。Modbus TCP相比Modbus RTU报文格式，多了六个字节的前缀，少了后面的CRC校验，它是采用TCP/IP 和链路层（以太网）校验和机制来校验分组交换的准确性。
4.4 模块状态监测
模块状态监测包括：系统运行状态，Modbus RTU通讯状态，Modbus TCP连接状态、通讯状态，以及通讯异常报警。
4.5 通讯测试
实验平台采用NA200 PLC挂载本模块，然后通过网络交叉线和PC电脑相连，利用网上免费网络调试工具SocketTool2进行通讯测试。先在SocketTool2建立客户端，然后连接，发送测试通讯数据十六进制000000000006500600C90055，查看是否有数据返回。
五、结束语
本文设计的Modbus TCP通讯模块，能和现有PLC稳定连接，从成本、性能上都将是个比较好的选择。前文介绍的是以从站模式为例，对于主站模式，可以PLC利用串口对通讯模块设置通讯请求的从站信息（IP地址等）。在不改变硬件的基础之上，通过软件升级，可以把模块功能更加完善。比如：满足通讯模式一主多从、一从多主、以及自定义通讯的现场应用需求。同时本文提出的思路也可以作为一种通用方案，推广到类似的产品开发中。
WESTINGHOUSE 4256A25G01 USPP 4256A25G01
ASEA BROWN BOVERI 3BHT300025R1 NSPP 3BHT300025R1
TEXAS INSTRUMENTS 2461449 **
ASEA BROWN BOVERI 1913JA002100000 USPP 1913JA002100000
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-6840 NSFP 5056840
TEXAS INSTRUMENTS PLC 5TI-5011 NSFP 5TI5011
Panasonic Industrial AC Servo Motor MSMD042S1V 0.4KW
ASEA BROWN BOVERI RTU211 USPP RTU211
ASEA BROWN BOVERI 289B943A30 NSFP 289B943A30
PANASONIC SERVO MOTOR MDM202A1G
PERCEPTRON CAMERA TRICAM CONTOUR SENSOR 911-0007
PERCEPTRON 9110021 USPP 9110021
TEXAS INSTRUMENTS PLC 5TI-1013-1 USPP 5TI10131
TEXAS INSTRUMENTS PLC 5TI-3100 USPP 5TI3100
ASEA BROWN BOVERI OES800L3 NSPP OES800L3
ASEA BROWN BOVERI 3HAA3560-DZA/5 NSPP 3HAA3560DZA5
GENERAL ELECTRIC DS3800HXPA1B1A USPP DS3800HXPA1B1A
KOLLMORGEN IND SERVOSTAR-603 USPP SERVOSTAR603
INDRAMAT MAC090B-0-PD-1-B/110-A-0/I01000 USPP MAC090B0PD1B110C
Panasonic DV8C500SDGB 5kW AC Servo Drive (free shipping) DV8C 500 SGDB
ASEA BROWN BOVERI 58095141 USPP 58095141
TEXAS INSTRUMENTS 5TI-1034-1 USED SEQUENCER MODULE 5TI10341
PERCEPTRON 916-4018 DIGITAL CONTOUR SENSOR REFURBED
TEXAS INSTRUMENTS 5TI-1034-2 USED SEQUENCER MODULE 5TI10342
MITSUBISHI A80BDE-A2USH-S1 NSPP A80BDEA2USHS1
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-4632 NSFP 5054632
TEXAS INSTRUMENTS PLC 7MT-902 NSPP 7MT902
TERAOKA TPB-1770-2 USPP TPB17702
ALLEN BRADLEY 8520-3APA1 USPP 85203APA1
(AG01) PANASONIC MSMA042A1B AC SERVO MOTOR WORKING
NIOBRARA R&D CORP UCM4M USPP UCM4M
SONICS & MATERIALS VC-130S USPP VC130S
ALLEN BRADLEY 1775-AD1 USPP 1775AD1
ASEA BROWN BOVERI 086363-001 NSFP 086363001
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-5432 USPP 5055432
ASEA BROWN BOVERI YB560103-CE-26 USPP YB560103CE26
ASEA BROWN BOVERI DSRF-171 USPP DSRF171
ASEA BROWN BOVERI SAFT-103-CON USPP SAFT103CON
MITSUBISHI SP031J027 NSFP SP031J027
TEXAS INSTRUMENTS PLC 7MT-210 USPP 7MT210
TEXAS INSTRUMENTS PLC 128-1111 USPP 1281111
ACTUS POWER NPSA-103MU-EIBS/1680336B USPP NPSA103MUEIBS168
ITE SIEMENS HF463J NSFP HF463J
TEXAS INSTRUMENTS PLC 7MT-100A USPP 7MT100A
ASEA BROWN BOVERI PCU-03 USPP PCU03
ASEA BROWN BOVERI 57310001-S/4 USPP 57310001S4
MODICON MM-PMAB001 NSFP MMPMAB001
ASEA BROWN BOVERI 57510001-AA/3 USPP 57510001AA3
PANASONIC MSM041A2U SERVO MOTOR 400W Matsushita FreShip
SAJF// PANASONIC MDMA152D2C AC SERVO MOTOR USED
ASEA BROWN BOVERI D-1G10085 USPP D1G10085
NACHI USADED-37-F3 USPP USADED37F3
TEXAS INSTRUMENTS PLC 500-7111 USPP 5007111
Texas Instruments 315-10T Input/Output Expansion Unit
ASEA BROWN BOVERI YT221001-LS USPP YT221001LS
Panasonic AC Servo MQDB012AAD (V3)
MOTOROLA 01-W3875B-04E USPP 01W3875B04E
SECO Q7022-1 USPP Q70221
555-1101 Siemens TI Texas Instruments 5551101 N22
FUJI ELECTRIC UG520H-VC1ZU USPP UG520HVC1ZU
TEXAS INSTRUMENTS PLC PFS-3605-A USPP PFS3605A
Panasonic Servo Drive MADR04311A New in Box Free Ship
ACDC REV-804B-2448-0000 USPP REV804B24480000
TEXAS INSTRUMENTS PLC 560-2125 USPP 5602125
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-6851 USPP 5056851
K TRON 9191-70001 USPP 919170001
FANUC A16B-2200-0301 USPP A16B22000301
PANASONIC AC SERVO DRIVER MDD203A1W 200V 50/60HZ 2.0KW 2500P/R HASE
ASEA BROWN BOVERI ACH401600632-A0AE0000 USPP ACH401600632A0AE
CUTLER HAMMER FW3200JL NSFP FW3200JL
API CONTROLS PS-3306I-E-C104 NSPP PS3306IEC104
ORIENTAL MOTOR BLD180A-MK USPP BLD180AMK
