CN201490999U - 基于Modbus协议的电流输出系统 - Google Patents

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申长军
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邢振
周平
闫华
吴文彪
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董大明
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Abstract

本实用新型公开了一种基于Modbus协议的电流输出系统,包括:电源,用于为所述电流输出系统供电;微控制器,用于输出脉宽调制信号,产生可调电压并提供给电压/电流转换装置;电压/电流转换装置,用于将所述可调电压转换为模拟电流输出。本实用新型所提供的系统功耗低、抗干扰性好、结构简单、运行可靠,可广泛应用于为执行设备增加通信和组态功能的场合中。

Description

基于Modbus协议的电流输出系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及通信领域,特别是涉及一种基于Modbus协议的电流输出系统。 背景技术
[0002] 在工业应用现场,如果传感器测量的电信号经调理后是电压信号并且进行长线传 输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会很容易就受到噪声的干 扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压 也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,工业现场大量采用4-20mA电流来 传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰,并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在 回路中不影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米。Modbus协议是为了建立智能设备间 的主从通信而开发的,它是一个开放而且得到广泛应用的工业标准网络协议。该协议由于 具有可靠性和适应性强的优点,而被越来越多的智能设备所支持,并且许多工业控制组态 软件也都支持Modbus协议。传统的4-20mA执行设备(如电动调节阀) 一般是连接可编程 控制器PLC,并且通过PLC进行设备组态的,执行设备本身不具有通信和组态功能。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种可以为执行设备增加通信和组态功能、使执行设备 智能化的基于Modbus协议的电流输出系统。
[0004] 为达到上述目的,提供一种依照本实用新型实施方式的基于Modbus协议的电流
输出系统,所述电流输出系统包括:
[0005] 电源,用于为所述电流输出系统供电;
[0006] 微控制器,用于输出脉宽调制信号,产生可调电压并提供给电压/电流转换装置;
[0007] 电压/电流转换装置,用于将所述可调电压转换为模拟电流输出。
[0008] 优选地,所述电流输出系统还包括低通滤波电路,用于滤除所述脉宽调制信号中
的高次谐波分量。
[0009] 优选地,所述电流输出系统采用RS-485接口 。
[0010] 优选地,所述电流输出系统还包括电气隔离装置,用于对RS-485通信电路、电流
输出电路与系统供电电路进行电气隔离。
[0011] 优选地,所述电气隔离装置由若干DC/DC单元组成。
[0012] 优选地,所述电源为12V直流电。
[0013] 本实用新型所提供的基于Modbus协议的电流输出系统利用脉宽调制信号产生可 调电压提供给电压/电流转换装置,与现有技术中的A/D芯片相比,具有成本低的优点。此 外,本实用新型所提供的系统结构简单、运行可靠,可广泛应用于为执行设备增加通信和组 态功能的场合中。
3附图说明
[0014] 图1是本实用新型实施例的基于Modbus协议的电流输出系统的结构示意图; [0015] 图2是本实用新型实施例的基于Modbus协议的电流输出系统的电压/电流转换 装置的电路结构图;
[0016] 图3是本实用新型实施例的基于Modbus协议的电流输出系统的RS-485接口原理 图;
[0017] 图4是本实用新型实施例的基于Modbus协议的电流输出系统的微控制器的核心 电路原理图;
[0018] 图5是本实用新型实施例的基于Modbus协议的电流输出系统中涉及的子程序流 程图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和实施例,对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下 实施例用于说明本实用新型,但不用来限制本实用新型的范围。
[0020] 该实施例提供了一种基于Modbus协议的电流输出系统,如附图1所示,该系统主 要由微控制器(微控制器包含了 UART、 MCU和P丽部分)、隔离电路、低通滤波电路、电压/ 电流转换电路、RS-485接口电路和电源电路组成。该系统工作于Modbus从机状态,并且具 有唯一的模块地址,每个模块上输出电流的大小对应着该模块的一个寄存器,当该系统接 收到修改电流大小寄存器的Modbus命令后,首先进行Modbus命令反馈,然后改变脉宽调制 (P丽)信号的占空比,进而调节输出电压的大小。该输出电压经过电压/电路变换芯片转换 为电流输出。为了避免该电流输出系统和执行设备间电位不同而造成的电流环路,该实施 例将电流输出部分的电源与系统供电电源进行了电气隔离。系统模块的地址可以通过模块 上的拨码开关进行设置,而通信参数则是通过修改相应的Modbus寄存器来设定。 [0021] 该实施例的电流输出系统的微控制器输出脉宽调制信号,脉宽调制信号产生可调 电压供给所述电压/电流转换电路。经过傅立叶变换可知,脉宽调制信号存在与占空比成正 比的直流分量,因此滤除高次谐波分量就可以得到与脉宽调制信号占空比成正比的电压信 号。原则上所需要的低通滤波器要求在模拟电压转换时不产生或者产生很小的误差。优选 地,所述电压/电流转换电路为德州仪器推出的一款高精度电压至电流转换器XTRlll,如图 2所示。该转换器支持标准0〜20mA、4〜20mA及5〜25mA模拟电流或电压输出。该转化 器属于Burr-Brown产品线产品,芯片工作电流为500uA,偏移电流温漂为5卯m广C,电源工作 电压范围为7V-44V,输出电流精度为0.015%。输入电压和输出电流的比率由外部电阻设定。 XTR111易于使用且满足多种应用要求,如工业控制及三线传感器系统的模拟电流输出。 [0022] 由于Modbus串行协议是一种主从结构的半双工通信协议,该实施例优选RS-485 接口 。 RS-485采用平衡发送和差分接收的方式,因而抑制共模干扰的能力较强,加上总线收 发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485 采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路必须由使能信号 加以控制。如图3所示,RDE为方向控制引脚,RXD和TXD分别连接微控制器的串行收发引 脚,RS485A和RS485B分别是RS-485的输出线。利用R4和R5两个电阻分别将485输出 线进行上拉和下拉,这两个电阻的主要作用是在电路驱动器关闭时给线路以一个固定的电
4平。F1和F2是自恢复保险,进行过流保护。三个双向瞬态抑制二级管T1、T2和T3可以提 供瞬态抑制,从而保护RS-485总线。
[0023] 微控制器的CPU单元选用ATMEL公司新推出的AVR系列低功耗控制器ATmegal68。 CPU单元除单片机外还包括复位电路、程序下载JTAG接口 、外部晶振电路、程序运行指示灯 电路。微控制器核心电路原理图如图4所示。
[0024] 本系统供电电压为12V直流。为了防止RS485通信电路、模块外部供电电路和电 流输出电路(电流输出电路包括隔离电路、低通滤波和V/I转换电路)这三部分由于地电 位不同而产生的相互间地线电流环路,该实施例采用2个DC/DC模块将这三部分相互隔离。 12V电源输入后经过一个隔离DC/DC转换为5V,为单片机和电流转换部分供电。另外使用 一个5V到5V的隔离DC/DC隔离出另外一个5V电源,为RS-485电路供电。 [0025] 该实施例的电流输出系统的设计优选远程终端设备(RTU)通信模式,并选择了适 合本采集器的部分功能进行了应用。为了提高中断的响应速度,所有采集器串行口中断接 收信息帧数据后会对数据进行处理,期间只进行循环冗余校验(CRC)和地址识别操作。如 果传输数据不满足CRC校验,则所有采集器均不响应,当CRC校验正确后,各采集器会识别 地址信息,与地址相符的采集器会置标志位。主程序在循环中检测到相关标志位后会调用 通讯子程序对Modbus命令进行处理。其中通讯子程序流程如图5所示。 [0026] 本实用新型实施例所提供的基于Modbus协议的电流输出系统利用脉宽调制信号 产生可调电压提供给电压/电流转换装置,与现有技术中的A/D芯片相比,具有成本低的优 点。此外,本实用新型所提供的系统功耗低、抗干扰性好、结构简单、运行可靠,可广泛应用 于为执行设备增加通信和组态功能的场合中。
[0027] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技 术人员来说,在不脱离本实用新型技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改 进和变型也应 为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

  1. 一种基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电流输出系统包括:电源,用于为所述电流输出系统供电;微控制器,用于输出脉宽调制信号,产生可调电压并提供给电压/电流转换装置;电压/电流转换装置,用于将所述可调电压转换为模拟电流输出。
  2. 2. 如权利要求l所述的基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电流输出 系统还包括低通滤波电路,用于滤除所述脉宽调制信号中的高次谐波分量。
  3. 3. 如权利要求1或2所述的基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电流 输出系统采用RS-485接口。
  4. 4. 如权利要求3所述的基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电流输出 系统还包括电气隔离装置,用于对RS-485通信电路、电流输出电路与系统供电电路进行电 气隔离。
  5. 5. 如权利要求4所述的基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电气隔离 装置由若干DC/DC单元组成。
  6. 6. 如权利要求1所述的基于Modbus协议的电流输出系统,其特征在于,所述电源为 12V直流电。
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