基于MODBUS無線總線測控系統

引言

目前無線通訊不但在通訊行業得到廣泛的應用，而且在檢測與控制領域也正在不斷地得到應用與推廣。工業現場總線作為現代工業控制系統的主流通訊網絡，其通訊介質為光纖或通訊電纜。針對很多檢測點和控制裝置分布較為分散或距離較遠，且應用通訊電纜連接成本高的場所，目前可以采用點對點的無線通訊方式，且各公司生產的測控系統所采用的通訊標準不盡相同，不同公司的測控裝置不能夠相互通訊，甚至同一公司的測控裝置也可能不能夠相互通訊。為了使得測控裝置系統既滿足無線通訊的要求，又達到總線測控的目的，在測控裝置系統中將工業現場總線通訊標準引入到無線通訊中。本文將ModBus通訊標準引入到nRF無線通訊技術中，組成ModBus無線總線測控系統，對系統電路的結構和無線收發電路的原理，ModBus協議的RTU模式，ARM與nRF905的接口及軟件設計進行了論述。

1 總體方案設計

針對很多檢測點和控制裝置分布較為分散或距離較遠，且應用通訊電纜連接成本高，這些裝置的數據可以每天定時通過人工進行數據采集和傳輸相應的設置和控制命令，或者是距離較近但經常需要移動的裝置，比如各種蓄電池的檢測等，所以需要一種能夠滿足室外100米和室內50米左右的無線通信距離的系統，且又滿足工業控制總線通訊標準的系統。

1)系統總體方案設計與論證

目前新興的短距離無線傳輸技術主要有三種，分別是：紅外線傳輸IrDA，藍牙科技BLUETOOTH，nRF技術。由于紅外線傳輸IrDA距離太短，抗干擾能力差，傳輸速度慢，而藍牙發射接收處理、基帶處理由多個芯片組成，接口、編程及硬件都較復雜，通訊速率較慢，所以采用nRF方案，本系統選定nRF905芯片作為系統無線收發模塊的核心。

2)系統電路組成

基于無線ModBus的測控系統框圖如圖1所示，系統分為三大部分：主機、分機以及無線ModBus總線傳輸通道。系統采用主從結構方式，一臺主機，若干個分機。分機主要由傳感器、信號調理電路、帶有A／D轉換的嵌入式ARM結構的LPC2132芯片、無線收發模塊nRF905等組成；主機主要由人機界面、嵌入式ARM結構的LPC2132芯片、無線收發模塊nRF905等組成。無線總線系統主機、分機編程設計通訊協議控制器，實現按照ModBus總線的協議標準打包發送信息，主機通過nRF905芯片發送ModBus(RTU)控制命令控制各前端數據采集裝置(分機)工作，并對采集數據的實時處理和顯示，畫出各采樣點的波形；分機則不斷監測和采集信息，接收主機發送ModBus(RTU)命令，完成相應的功能(如完成數據采集和數據傳輸控制)。主機和分機的信息交換以射頻無線(nRF技術)和ModBus總線協議的方式實現。

圖1 基于無線ModBus的測控系統框圖

2 NRF905的工作模式以及與ARM的接口

nRF905的工作模式如表1所示，通過設置TRX_CE、TX_EN、PWR_UP來決定nRF905工作模式。

表1工作模式

1)節電模式。

掉電模式。nRF905被禁止，電流消耗最小，典型值低于2．5uA。nRF905配,置字的內容保持不變。在本系統中未使用這種模式。

Standby模式。Standby模式在保持電流消耗最小的同時保證ShockBurst RX，ShockBurstTX的最短啟動時間。當進入這種模式時，晶體振蕩器是活動的。在此模式中配置字的內容保持不變，可對NRF905進行SPI編程操作。