cFP-AI-118输入模块

cFP-AI-118输入模块;
cFP-AI-118输入模块;
cFP-AI-118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**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)，使设计较简单灵活；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，并通过较短的路径到电源。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，可以把模块功能较加完善。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。

ASEA BROWN BOVERI 57350001-CN/2 USPP 57350001CN2
ASEA BROWN BOVERI 29118337B USPP 29118337B
TEXAS INSTRUMENTS PLC TMM10010-05 USPP TMM1001005
PANASONIC MINAS AC SERVO MDD083 750W W/MOTOR CNC
TEXAS INSTRUMENTS PLC 305-02B USPP 30502B
DEMAG 502001 USPP 502001
LEYBOLD CM31 USPP CM31
ASEA BROWN BOVERI 29089124 USPP 29089124
ASEA BROWN BOVERI D-1G10085 USPP D1G10085
NEW PERCEPTRON TRICAM SURFACE SENSOR 912-0037
Texas Instruments 500-5031J
ALLEN BRADLEY 8500-E151 USPP 8500E151
Panasonic AC Servo Motor MHMD042G1U NIB Free Ship
ASEA BROWN BOVERI (ABB) DSDP 140B
RELIANCE ELECTRIC 0-54339 NSPP 054339
Panasonic MSD5A1P1E AC Servo Driver
TEXAS INSTRUMENTS 545-1101 **
FISHER ROSEMOUNT DC6554X1-DA1 USPP DC6554X1DA1
Panasonic AC Servo Driver MSD5A3A1XX19 Free Ship
SIEB & MEYER 26.39.67 USPP 263967
TEXAS INSTRUMENTS PLC 140-1114 NSFP 1401114
Panasonic AC Servo Motor MDMA102P1G Free Ship
SIEMENS 6FX-1112-1AD00 USPP 6FX11121AD00
ASEA BROWN BOVERI S6HQ800BWAS4 NSPP S6HQ800BWAS4
ALLEN BRADLEY 512-BJB-1-5R-6​P-24R NSFP 512BJB15R6P24R
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-3508 NSFP 5053508
NEW SIEMENS/TEXAS INSTRUMENTS CPU MODULE 525 525-1102
PERCEPTRON 9110014 USPP 9110014
PERCEPTRON 495-0092 USPP 4950092
HONEYWELL VPR101-G1-111-​C-0E0000-0-00 USPP VPR101G1111C0E​00
ASEA BROWN BOVERI 57310255-AX USPP 57310255AX
Returns: Not accepted
TEXAS INSTRUMENTS PLC 5TI-5500 USPP 5TI5500
Panasonic AC Servo Driver MSDA083D1A61 750W Free Ship
PERCEPTRON TUNNEL MOUNT REPEATER 926-0127-01
XYCOM 3410T-513364-B NSFP 3410T513364B
ASEA BROWN BOVERI 57310001-GP USPP 57310001GP
ALLEN BRADLEY 512M-BJA6P-24R NSPP 512MBJA6P24R
ASEA BROWN BOVERI ACS800-U1-0011​-5+L502+L508+N​660+P901 USPP ACS800U100115L​50
Panasonic Servo Motor~MFA040LB​2NSA~Rebuilt~6​M Warranty
Panasonic/Nais Servo MSMD042P1U+MBD​DT2210 NIB!
TEXAS INSTRUMENTS PLC 500-5013 NSPP 5005013
TEXAS INSTRUMENTS PLC 5TI-1019-1 USPP 5TI10191
ASEA BROWN BOVERI ACS601-0009-4-​000B1200801 USPP ACS60100094000​B1
ASEA BROWN BOVERI 3BSE013228R1 USPP 3BSE013228R1
ASEA BROWN BOVERI 3HAB2209-1 USPP 3HAB22091
Perceptron Digital Tricam Camera Sensor 916-4104
Panasonic MSMA042A3C AC Servo Motor NIB
TB WOODS P6 USPP P6
Panasonic AC Servo Motor MFA100LB2BSA #5927
TEL P-8 Panasonic MSD011P1EA03 AC Servo Driver Set MSD021P1EA03 working
LEYBOLD SV25-109-03-51 USPP SV251090351
Panasonic Servo Drive MADR04311A New in Box Free Ship
NEW PERCEPTRON 495-0191 FRAME GRABBER PROCESSOR 500-0192 REV B 96K DSP
Panasonic/Nais AC Servo Motor MDME502GCG NIB!
ALLEN BRADLEY 1336F-BRF100-A​E-DE-HAS2 USPP 1336FBRF100AED​EH
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-7101 USPP 5057101
ASEA BROWN BOVERI 36562838 USPP 36562838
TEXAS INSTRUMENTS PLC 510-2101 USPP 5102101
Texas Instruments 500-2108
TEXAS INSTRUMENTS PLC 2490005-0001 USPP 24900050001
SIEMENS TI 505-4332 PLC NEW
PERCEPTRON 916-4079 DIGITAL CONTOUR LASER SENSOR REV C C0400-X0000-Y0​126-Z0287
API CONTROLS PS-3306I-E-C10​4 NSPP PS3306IEC104
Siemens TI 565 PLC Memory Card 560-2136
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-6511 NSPP 5056511
TEXAS INSTRUMENTS PLC 0941370-8200 USPP 09413708200
PACIFIC SCIENTIFIC R46GENA-TS-LS-​NV-02 USPP R46GENATSLSNV0​2
TEXAS INSTRUMENTS PLC 305-03DM USPP 30503DM
WESTINGHOUSE 289B932A18 USPP 289B932A18
TEXAS INSTRUMENTS PLC 435-DC-CPU NSFP 435DCCPU
GENERAL ELECTRIC DS3800HIOA1B1D USPP DS3800HIoa1B1D
ASEA BROWN BOVERI 1SDA046043R1 NSFP 1SDA046043R1
575-2104 Texas Instruments TI Siemens 5752104 N3
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-4232A USPP 5054232A
* EURODRIVE KAF77LP145 USPP KAF77LP145
Texas Instruments 7MT400
Panasonic AC Servo Motor MDMA102A1G Free Ship

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