CN206077426U - 基于modbus‑rtu通讯协议的单片机局域网络控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于MODBUS‑RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，包括前端控制系统、主站系统和从站系统，所述前端控制系统与所述主站系统采用串行通讯接口连接，所述主站系统与若干所述从站系统采用总线拓扑结构连接。本实用新型极大的降低了系统的成本和安装、维护难度，也从一定程度上提高了系统的可靠性，同时系统配置工业级人机界面，提高了操控的可视化程；采用MODBUS RTU通信协议局域网络控制可实现接线方式简单方便，拓扑结构采用单一双绞线上挂接多个从站控制器，实现控制设备的分布式控制，有效节约制造及安装成本，值得广泛推广与使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及网络控制系统及控制方法技术领域，尤其涉及一种基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统。
背景技术
在智能家居系统和大、小规模工业自动化控制领域，其控制系统的网络通讯手段多种多样。传统的智能家居系统多为无线：zigbee或wifi系统，虽然安装方便但能耗大、有电磁辐射、可靠性差。而大小规模工业自动化控制多为PLC控制，特别是集中控制的大型PLC不仅价格昂贵、安装不便，且从同一控制器发出的控制线路太多，结构复杂、维护不便。
申请号为200910247434.0的专利公开了支持MODBUS-RTU通讯的PLC系统以及通讯方法,该系统包括一台S7-300PLC和一台S7-200PLC,其中S7-300PLC通过S7-200PLC实现与MODBUS-RTU主站通讯。相应的通讯方法包括如下步骤:(1)S7-200PLC实时读取S7-300PLC数据;(2)S7-200PLC将实时数据传送给MODBUS-RTU主站。
申请号为201410268280.4 的专利公开了一种基于S7-300/400PLC的MODBUS-RTU/ASCII协议实现方法，其采用ASCII驱动发送、接收和处理符合Modbus协议规范的数据报文，从而在S7-300/400PLC平台中的串行通讯模块上实现Modbus通讯，包括步骤：步骤1：对基本通讯参数进行配置；步骤2：通讯报文数据的处理；步骤3：报文的发送和接收。本发明简单、灵活、可靠，且硬件成本较低，通用性很强，能够广泛应用于工业自动化领域中PLC与各类智能仪表和设备的MODBUS-RTU/ASCII通讯。
申请号为201610081317.1的专利公开了一种基于MODBUS-RTU通信协议的从站入网方法，其能够使从站自动加入到总线节点，从而解决新的从站或者主站未知地址的从站自动入网的问题。其包括：(1)MODBUS-RTU主站以指定的时间间隔和波特率遍历向属于本系统中的从站发送查询报文，查询报文采用RTU帧格式；(2)MODBUS-RTU从站接收到主站的查询报文后，产生一个回应报文给主站，加入到总线节点中。
上述方案，其目的均在于实现网络通讯管理及应用手段的改进与提高，但无论是传统型的小型无线局域通讯管理网络，还是大型PLC控制系统，都无法得到综合性的有益效果。
发明内容
本实用新型目的在于提供基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，针对传统局域网络控制系统中的不足，利用不同的通讯连接方式将局域网络系统分层管理，有效提高通讯工作的效率，实现信息的快捷便利传输，有效节约制造及安装成本。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，包括前端控制系统、主站系统和从站系统，所述前端控制系统与所述主站系统采用串行通讯接口连接，所述主站系统与若干所述从站系统采用总线拓扑结构连接。
所述前端控制系统包括人机交互界面，所述人机交互界面包括PC机、触摸屏、矩阵键盘和外设输入端口。
所述主站系统包括小型PLC控制器，所述小型PLC控制器包括串行通讯接口和总线接口。
所述从站系统包括终端控制器，所述终端控制器包括单片机组件。
所述串行通讯接口包括RS232通讯接口。
所述前端控制系统连接备用电源模块，所述备用电源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组。
所述主站系统与所述从站系统之间设置数据加密装置。
本实用新型的有益效果在于：
本方案的组成结构清晰简单，易于实现，包括三大硬件模块和用于连接三大硬件模块的两种不同的硬件通信接口，既没有传统意义上的WIFI式无线网络能耗大、可靠性差的缺点，也没有集中控制的大型PLC设备价格昂贵、安装不便的缺点，而是以PIC单片机为核心控制器、小型PLC设备为主站设备而组建的MODBUS-RTU通信协议局域网络控制,该控制系统可按照工业控制现场的需求对软硬件作自由裁剪，“量体裁衣”，极大的降低了系统的成本和安装、维护难度，也从一定程度上提高了系统的可靠性，同时系统配置工业级人机界面，提高了操控的可视化程；采用MODBUS RTU通信协议局域网络控制可实现接线方式简单方便，拓扑结构采用单一双绞线上挂接多个从站控制器，实现控制设备的分布式控制，有效节约制造及安装成本，值得广泛推广与使用。
附图说明
图1是本实用新型系统整体结构示意图。
图2是本实用新型从站系统终端控制器的电路示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，包括前端控制系统1、主站系统2和从站系统3，前端控制系统1与主站系统2采用串行通讯接口4连接，主站系统2与若干从站系统3采用总线拓扑结构5连接。
前端控制系统1包括人机交互界面，人机交互界面包括PC机、触摸屏、矩阵键盘和外设输入端口。
主站系统2包括小型PLC控制器，小型PLC控制器包括串行通讯接口和总线接口。
从站系统3包括终端控制器，终端控制器包括单片机组件。
串行通讯接口4包括RS232通讯接口。
前端控制系统1连接备用电源模块，备用电源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组。
主站系统2与从站系统3之间设置数据加密装置。
前端控制系统的人机交互界面具有多样化功能，连接配对简便，只要符合串行通信协议的设备均可与主站连接，而且不仅可以使用传统的PC机、触摸屏和矩阵键盘的组合，还可以通过外设输入接口连接便携式掌上智能终端，如智能手机或掌上平板电脑。
主站系统采用小型PLC作为主控设备，具有价格便宜、编程简单的优点，这一点不同于传统用于集中控制的大型PLC。主站PLC是通过协议路由对从站实现管理功能，所以用户要编写的程序较简单。主站可实现向上与人机交互界面，如触摸屏、PC通信，通信可采用RS232modbus通信；向下和从站单片机通信，采用RTU协议的总线拓扑形式。同时PLC也只是负责从机的参数设置与读取以及从机控制工艺流程的管理，PLC程序逻辑比较简单，便于实现。
从站系统包括终端控制器，终端控制器包括单片机组件，终端控制器采用单片机配合外围电路来实现，结构简单，控制端口丰富，单片机可以采用PIC16F877A系列，PIC系列单片机具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点，其I/O口是双向的,其输出电路为CMOS互补推挽输出电路，I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器,从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态,且不管该脚呈高电平或低电平,对外均呈高阻状态;置位0时为输出状态,不管该脚为何种电平,均呈低阻状态,有相当的驱动能力,低电平吸入电流达25mA,高电平输出电流可达20mA，可以直接驱动数码管显示，A/D为10位,能满足精度要求，具有在线调试及编程(ISP)功能。PIC单片机配合外围电路的RS485通讯部分、电源部分以及编程下载接口，整体电路简单，系统工作稳定可靠。
主站系统与从站系统之间设置数据加密装置，即在通讯协议的链路层上通过使用设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全等有利保证，从而终端和主站系统侧都能安全、可靠的收发数据。
为了保证前端控制系统的使用稳定性，方案采用了与前端控制系统互联的备用电源模块，电源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组，整流器包括功率放大器与频率控制器，功率放大器包括前端输入型OTL放大电路；频率控制器由三相不可控整流电路、H桥逆变电路、输出滤波器和串联谐振电路组成，供源模块直接安装在主控电源的机柜中，以平板电容器取能，并将感生电能经整流、降压等一系列转换最终输入蓄电池组。
本方案包括三大硬件模块和用于连接三大硬件模块的两种不同的硬件通信接口，以PIC单片机为核心控制器、小型PLC设备为主站设备而组建的MODBUS-RTU通信协议局域网络控制,该控制系统可按照工业控制现场的需求对软硬件作自由裁剪，“量体裁衣”，极大的降低了系统的成本和安装、维护难度，也从一定程度上提高了系统的可靠性，同时系统配置工业级人机界面，提高了操控的可视化程；采用MODBUS RTU通信协议局域网络控制可实现接线方式简单方便，拓扑结构采用单一双绞线上挂接多个从站控制器，实现控制设备的分布式控制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：包括前端控制系统、主站系统和从站系统，所述前端控制系统与所述主站系统采用串行通讯接口连接，所述主站系统与若干所述从站系统采用总线拓扑结构连接。
2.如权利要求1所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述前端控制系统包括人机交互界面，所述人机交互界面包括PC机、触摸屏、矩阵键盘和外设输入端口。
3.如权利要求1所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述主站系统包括小型PLC控制器，所述小型PLC控制器包括串行通讯接口和总线接口。
4.如权利要求1所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述从站系统包括终端控制器，所述终端控制器包括单片机组件。
5.如权利要求1所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述串行通讯接口包括RS232通讯接口。
6.如权利要求2所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述前端控制系统连接备用电源模块，所述备用电源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组。
7.如权利要求1所述的基于MODBUS-RTU通讯协议的单片机局域网络控制系统，其特征在于：所述主站系统与所述从站系统之间设置数据加密装置。
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| CN108508840A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-09-07 | 顺德职业技术学院 | 一种机器人工作站电气控制系统的实验装置 |
| CN108628536A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-10-09 | 湖北工业大学 | 一种人机界面交互的stm32与串口触摸屏通讯模板 |
| CN113985800A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-28 | 中国船舶重工集团公司第七一八研究所 | 基于以太网通信的plc系统扩展io子站的控制系统 |
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