物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用 課件 項目一基于工業(yè)總線的機床溫度管理

項目一基于工業(yè)總線的機床溫度管理01項目概述項目背景機器溫度管理在工業(yè)生產(chǎn)中，機器溫度管理是非常重要的。如果機器溫度過高，會導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響生產(chǎn)效率。因此，需要實現(xiàn)對機器溫度的實時監(jiān)控和管理。RS-485總線通信RS-485總線通信是工業(yè)生產(chǎn)中常用的通信協(xié)議之一，具有傳輸距離遠、傳輸速度快的特點。本項目將基于RS-485總線通信來實現(xiàn)機床的溫度信息檢測功能。工業(yè)自動化隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度不斷提高，對生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控和管理要求也越來越高。本項目的研究背景是工業(yè)自動化，旨在解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題。030201通過本項目的學(xué)習(xí)和實踐，掌握總線的基礎(chǔ)知識，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等。掌握總線基礎(chǔ)知識通過本項目的學(xué)習(xí)和實踐，掌握RS-485標準的特性，包括電氣特性、協(xié)議特性等。掌握RS-485標準特性通過本項目的學(xué)習(xí)和實踐，了解Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)知識，包括協(xié)議結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式等。了解Modbus協(xié)議基礎(chǔ)知識項目目標01020302任務(wù)描述與需求任務(wù)實施計劃本節(jié)課我們計劃完成項目的需求分析和設(shè)計，并完成項目的實施和測試。任務(wù)目標本任務(wù)的目標是開發(fā)一種基于RS-485總線通信的機床溫度管理系統(tǒng)，以監(jiān)測和控制機床的溫度，確保機床的正常運行。任務(wù)內(nèi)容車間生產(chǎn)設(shè)備因為摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，工作時間的增加會導(dǎo)致機床高溫，從而發(fā)生異常，本任務(wù)將采集機床溫度，并通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)傳輸。任務(wù)一：建立RS-485通信協(xié)議掌握總線的基礎(chǔ)知識包括總線的基本概念、總線的分類、總線的特點等。掌握RS-485標準的特性包括RS-485標準的電氣特性、信號特性、傳輸特性等。了解Modbus通信協(xié)議的基礎(chǔ)知識包括Modbus通信協(xié)議的基本概念、協(xié)議結(jié)構(gòu)、通信過程等。職業(yè)技能目標需求分析可靠性需求本項目的應(yīng)用場合是工業(yè)現(xiàn)場，因此需要保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)分析需求本項目需要對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，因此需要對數(shù)據(jù)分析的方法和算法進行研究。數(shù)據(jù)傳輸需求本項目需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此需要對RS-485總線通信協(xié)議進行詳細的分析和研究。03知識梳理串行通信是一種數(shù)據(jù)通信方式，它按位（bit）進行數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸一位數(shù)據(jù)，通過一定的時間間隔，將多位數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)侥康牡?。串行通信總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，由導(dǎo)線組成的傳輸線束。總線按功能和規(guī)范可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、擴展總線和局部總線五大類型?？偩€總線與串行通信基礎(chǔ)知識總線與串行通信基礎(chǔ)知識RS-485通信屬于串行通信范疇，是計算機與外設(shè)或其它計算機按位傳輸數(shù)據(jù)的通信方式。串行通信串行通信具有傳輸線少、成本低的特點，主要適用于近距離的人機交換、實時監(jiān)控等系統(tǒng)通信工作。在計算機網(wǎng)絡(luò)和分布式工業(yè)控制系統(tǒng)中，設(shè)備之間通常通過標準串行通信接口和通信電纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息交換。通信特點串行通信可通過電話網(wǎng)實現(xiàn)遠距離傳輸，因此串行通信接口是計算機系統(tǒng)中的常用接口。遠距離傳輸01020403數(shù)據(jù)交換RS-232接口標準接口信號電平高：RS-232接口標準出現(xiàn)較早，存在不足之處，主要問題是接口信號電平值較高，容易損壞接口電路芯片。邏輯關(guān)系與噪聲容限：RS-232接口為負邏輯關(guān)系，邏輯“1”為-15～-3V，邏輯“0”為3～15V，噪聲容限為2V。數(shù)據(jù)傳輸速率低：RS-232接口在異步傳輸時，數(shù)據(jù)傳輸速率為20000bps，51CPLD開發(fā)板中綜合程序的數(shù)據(jù)傳輸速率只能采用19200bps。共地傳輸與抗噪聲干擾性：RS-232接口使用共地傳輸形式，容易產(chǎn)生共模干擾，抗噪聲干擾性弱。傳輸距離有限：RS-232接口標準的最大傳輸距離約為15m，無法滿足長距離通信的需求。0102030405RS-485工作方式RS-485接口可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，允許最多并聯(lián)32個驅(qū)動器和32個接收器。RS-485接口特點RS-485電氣特性RS-485的電氣特性表現(xiàn)為邏輯“1”以兩線間的電壓差（2～6V）表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差（-6～-2V）表示。RS-485采用半雙工工作方式，發(fā)送電路須由使能信號加以控制，可以省掉許多信號線。RS-485串行總線RS-485接口特性RS-485多站能力RS-232-C接口在總線上僅允許連接一個收發(fā)器，具有單站能力；而RS-485接口在總線上允許連接多達128個收發(fā)器，具有多站能力。RS-485接口優(yōu)勢RS-485接口信號電平低，不易損壞接口電路芯片，且與TTL電平兼容。RS-485傳輸速率數(shù)據(jù)的最高傳輸速率為10Mbps，采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強。RS-485最大傳輸距離RS-485接口的最大傳輸距離的標準值約為1219m，實際上可達3000m。04任務(wù)實施開發(fā)板資源Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)板引出了STM32F103C8T6單片機的大部分I/O端口資源，用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)需求開發(fā)完整的系統(tǒng)。Cortex-M3內(nèi)核單片機的主頻可達72MHz，是最早的一款32位單片機，對用戶而言，便于開發(fā)，難度系數(shù)較低。硬件選型RS-485模塊電路項目中開發(fā)板引出了RS-485模塊電路，并預(yù)留出串口2，方便用戶使用工業(yè)總線控制，并提供參考示例。串口2與RS-485需要注意的是，串口2和RS-485的功能不可以同時使用，因為只有一路串口。在使用時需要進行選擇。RS485_Init函數(shù)RS485_Init(u32bound)函數(shù)用于實現(xiàn)RS-485接口的初始化，相關(guān)代碼如下。RS485發(fā)函數(shù)和接收函數(shù)voidRS485_Send_Data(u8*buf,u8len)函數(shù)和voidUSART2_IRQHandler(void)函數(shù)通過RS-485實現(xiàn)了串口收發(fā)功能。main函數(shù)main函數(shù)首先對所有需要的硬件進行初始化，包含LED（發(fā)光二極管）、串口1、RS-485接口等，通過板載RS-485與計算機端RS-232接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。代碼解析05任務(wù)二：搭建機床數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)描述任務(wù)描述與需求車間生產(chǎn)設(shè)備因摩擦產(chǎn)生熱量，工作時間增加導(dǎo)致機床高溫異常，需要采集機床溫度數(shù)據(jù)并通過Modbus通信協(xié)議進行傳輸。掌握傳輸方式需要掌握Modbus通信協(xié)議的傳輸方式，包括串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信和無線通信等，以確保數(shù)據(jù)的有效傳輸。0201Modbus通信協(xié)議Modbus概述Modbus通信協(xié)議由Modicon于1979年開發(fā)，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。目前施耐德電氣公司已將所有權(quán)移交給Modbus-IDA組織，該組織的成立為Modbus通信協(xié)議的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。Modbus通訊協(xié)議02電子控制器通用協(xié)議Modbus通信協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用協(xié)議，目前已成為通用工業(yè)標準?？刂破髦g或控制器與其他設(shè)備之間可通過此協(xié)議經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）通信。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控Modbus通信協(xié)議使不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以構(gòu)成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。協(xié)議定義了消息幀結(jié)構(gòu)，描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程、如何響應(yīng)請求，以及如何偵測并記錄錯誤。Modbus通訊協(xié)議02控制器識別消息在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，每個控制器必須知道其設(shè)備地址，按地址識別發(fā)來的消息，決定要做何種動作。如果需要響應(yīng)，那么控制器將按Modbus消息幀格式生成反饋信息并發(fā)送。應(yīng)用層通信協(xié)議RS-485標準只對接口的電氣特性做出相關(guān)規(guī)定，并未對接插件、電纜和通信協(xié)議等進行標準化，因此用戶需要在RS-485總線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上制定應(yīng)用層通信協(xié)議。一般來說，各應(yīng)用領(lǐng)域的RS-485通信協(xié)議都是指應(yīng)用層通信協(xié)議。通訊模型02Modbus是一種單主或多從的通信協(xié)議，在同一時間內(nèi)總線上只能有一個主設(shè)備，但可以有一個或多個從設(shè)備。Modbus通信協(xié)議通信總是由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備沒有收到來自主設(shè)備的請求時，不會主動發(fā)送數(shù)據(jù)。通信模型主設(shè)備發(fā)送的請求報文包括設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)段、差錯檢測區(qū)。請求報文響應(yīng)信息從設(shè)備的響應(yīng)信息也包含設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)段和差錯檢測區(qū)，其中設(shè)備地址為本機地址。設(shè)備地址設(shè)備地址是被選中的從設(shè)備的地址，功能碼用于告知被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段包含從設(shè)備要執(zhí)行的功能的附加信息，差錯檢測區(qū)為從設(shè)備提供數(shù)據(jù)校驗方法。通信模型在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送Modbus請求報文的模式有單播模式和廣播模式兩種。主設(shè)備模式通信模型主設(shè)備尋址單個從設(shè)備，從設(shè)備接收并處理完畢后向主設(shè)備返回一個響應(yīng)報文。單播模式主設(shè)備向Modbus網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備發(fā)送請求報文，從設(shè)備接收并處理完畢后不要求返回響應(yīng)報文。廣播模式Modbus通信協(xié)議基于不同的物理鏈路存在不同的通信模式，如串行鏈路的RTU和ASCII模式，以太網(wǎng)鏈路的TCP模式。modbus通信模式三種通信模式的數(shù)據(jù)模型與功能調(diào)用是相同的，唯一的不同之處在于傳輸報文的封裝方式。通信模式的數(shù)據(jù)模型通信模式寄存器寄存器是CPU內(nèi)部的一種存儲單元，用于存儲數(shù)據(jù)和指令。寄存器概述表1-2-1

Modbus寄存器的分類與特性寄存器種類特性說明實際應(yīng)用線圈（Coil）狀態(tài)輸出端口（可讀可寫），相當于PLC的數(shù)字量輸出（DO）LED顯示、電磁閥輸出等離散輸入（DiscreteInput）狀態(tài)輸入端口（只讀），相當于PLC的數(shù)字量輸入（DI）接近開關(guān)、撥碼開關(guān)等保持寄存器（HoldingRegister）輸出參數(shù)或保持參數(shù)（可讀可寫），相當于PLC的模擬量輸出（AO）模擬量輸出設(shè)定值、PID運行參數(shù)、傳感器報警閾值等輸入寄存器（InputRegister）輸入?yún)?shù)（只讀），相當于PLC的模擬量輸入（AI）模擬量輸入值Modbus通信協(xié)議在不同物理鏈路上的消息幀是有差異的，此處主要介紹串行鏈路RTU模式的Modbus消息幀格式。在RTU模式中，消息的發(fā)送與接收以至少3.5個字符時間的停頓間隔為標志。消息幀格式表1-2-2典型的ModbusRTU消息幀格式起始位地址功能碼數(shù)據(jù)CRC結(jié)束符≥3.58位8位n個8位16位≥3.5個字符消息幀格式表1-2-2典型的ModbusRTU消息幀格式起始位地址功能碼數(shù)據(jù)CRC結(jié)束符≥3.58位8位n個8位16位≥3.5個字符消息幀各組成部分及其功能如下。（1）地址域。地址域存儲了Modbus通信幀中的從設(shè)備地址，ModbusRTU消息幀的地址域長度為1字節(jié)。在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，主設(shè)備沒有地址，每個從設(shè)備都具有唯一的地址。從設(shè)備的地址范圍為0～247，其中，地址0作為廣播地址，因此從設(shè)備實際的地址范圍是1～247。在下行幀中，地址域表明只有符合地址范圍的從設(shè)備才能接收由主設(shè)備發(fā)送的消息。上行幀中的地址域指明了該消息幀來自哪一設(shè)備。（2）功能碼域。功能碼域指明了消息幀的功能，其取值范圍為1～255（十進制）。（3）數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域與功能碼緊密相關(guān)，是存儲功能碼需要操作的具體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，長度是可變的。（4）CRC（CyclicalRedundancyCheck，循環(huán)冗余校驗）域。ModbusRTU消息幀的CRC域由2字節(jié)構(gòu)成，其值是通過對全部報文內(nèi)容進行CRC計算得到的，計算對象包括CRC域之前的所有字節(jié)。在CRC域中添加消息幀時，先添加低字節(jié)再添加高字節(jié)，因此最后1字節(jié)是CRC域的高字節(jié)。添加代碼包添加濕度傳感器驅(qū)動代碼包添加RS-485總線數(shù)據(jù)收發(fā)的相關(guān)代碼包添加Modbus通信協(xié)議的相關(guān)代碼包核心代碼解析0102u8ModBus_ReadTemp(void){

RS485_Send_Data(readtemp,8);

}u8ModBus_ReadHumi(void){ RS485_Send_Data(readhumi,8);}voidModBus_RecData(void)//表示從設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù){ if(recflag==1) { if(RS485_RX_BUF[0]==0x01)//地址為1 { switch(RS485_RX_BUF[1])//判斷功能碼 { case4://讀數(shù)據(jù)寄存器 calCRC=CRC_Compute(RS485_RX_BUF,RS485_RX_CNT-2);recCRC=((u16)RS485_RX_BUF[RS485_RX_CNT-2]<<8)|RS485_RX_BUF[RS485_RX_CNT-1];//讀取CRC if(calCRC==recCRC)//表明CRC正確 { if(RS485_RX_BUF[2]==0x02)//讀取2字節(jié) { if(