评估和设计支持电路评估板(RS-485收发器)

评估和设计支持

电路评估板

CN-0414 电路评估板 (EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418 电路评估板 (EVAL-CN0418-ARDZ)

CN-0416 电路评估板 (EVAL-CN0416-ARDZ)

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸开发平台(EVAL-ADICUP3029)

设计和集成文件

PLC/DCS Wiki 用户指南

原理图、布局文件、材料清单、软件

电路功能及优点

可编程逻辑控制器 (PLC) 和分布式控制系统 (DCS) 用于监视和控制工业自动化应用中的智能(支持 HART)和模拟现场仪表。

图1所示电路是一个简单的DCS系统,由一个主机、一个单节点、两个4通道隔离模拟输入板和两个4通道隔离模拟输出板组成,由一个Arduino大小的基板进行本地管理。RS-485 收发器连接到 PC 或其他主机,以便用户可以使用 Modbus 协议与节点交换数据。

模拟输入数据在本地读取,并使用行业标准 Modbus 协议通过串行接口提供,确保数据完整性和跨一系列软件应用程序和库的兼容性。同样,通过写入 Modbus 寄存器来设置模拟输出,然后将其转换为模拟电压或电流信号。

每个节点可以支持 4 个模拟输入和输出板的组合。如图 2 所示,可以使用提供的硬件和软件基础设施设计多达 16 个节点的多节点系统。该电路支持点对点HART通信,可扩展为多点中转站HART网络,在同一通道上集成多个HART设备。

每块板卡(4组)的模拟输入和模拟输出电气隔离,模拟输入支持开路检测,简化故障检测和诊断。在恶劣的工业自动化环境中使用时,这些特性增强了可靠性和耐用性。

图1.PLC(或单节点DCS)Modbus系统功能框图

图2.多节点DCS Modbus系统功能框图

电路描述

此应用程序侧重于演示由 Modbus 主站控制的 PLC/DCS 系统的开发,并通过示例展示如何使用关键组件的最新功能。单节点系统通常称为 PLC,而较大的系统通常称为 DCS。

每个节点可以管理多达 16 个模拟现场设备、传感器或驱动器(兼容 HART 或仅模拟),并且系统可以扩展到包括多达 16 个单独的节点。该系统还可用于通用精密模拟数据采集应用,例如仪器仪表、模拟数据记录或测试和测量。

PLC/DCS 拓扑

支持多种连接拓扑。在单节点(PLC,或单节点 DCS)系统中,主机可以使用微型 USB 电缆直接连接到 EVAL-ADICUP3029 平台板的 USB 串行端口,非常适合需要小于 2 米之间的实验主机和节点室测试和测量应用。

在这种点对点拓扑中,电路板的四路模拟输入和输出保持与主机隔离。虽然通常不与实验室设备相关联,但 Modbus 协议提供了一种方便、标准的与节点通信的方法。HART 连接支持智能传感器和驱动器的配置。

随着主机和节点之间的距离增加到 2 米以上,信号完整性、噪声拾取和电气故障变得更加严重。在这些情况下,EVAL-CN0416-ARDZ 为主机提供可靠的 RS-485 连接。在单节点、点对点系统中,全双工或半双工通信支持超过 1 公里的距离,具体取决于波特率。

对于多节点系统(通常称为 DCS),EVAL-CN0416-ARDZ 提供菊花链端口,支持可切换的半/全双工操作和可切换的终端,因此系统可以集成 2 到 16 个节点。

由于 Modbus 用作串行通信协议,通过串行链路在设备之间发送信息,因此无论大小如何,都可以实现简单、可靠和耐用的系统。PLC/DCS 应用的硬件堆栈由三种不同的参考设计组成。

模拟输入板

图 3 所示的 CN-0414 用于测量 4 个全差分信号,或 8 个单端电压和 4 个电流信号。该电路的核心是 AD4111 低功耗、低噪声 24 位 Σ-Δ 模数转换器 (ADC)可编程序逻辑控制器,具有集成的 ±10 V 和 20 mA 模拟前端。

其电压输入支持高达 ±10 V 的输入范围。AD4111 的独特之处在于,它支持对 ±10 V 电压输入进行开路检测,同时采用 5 V 或 3.3 V 单电源供电,而以前的解决方案通常需要大于 ±10 V 的电源。

电流输入支持 0 mA 至 24 mA 的输入范围。电路的输入阻抗为 250 Ω(AD4111 内部为 60 Ω),所有输入均以隔离地为参考。电流输入需要一个 250 Ω 的输入电阻,以便兼容 HART 的 AD5700-1 调制解调器可以与 AD4111 一起使用。

电路的模拟前端 AD4111 和 AD5700-1 通过 ADuM5411 和 ADuM3151 与处理端隔离,与基于分立变压器的解决方案相比,可显着节省空间。

CN-0414 板由 9.5 V 至 36 V 直流电源供电,这在工业自动化系统中很常见,因此可以轻松集成到您的系统中。

图3.模拟输入板

模拟输出板

图 4 所示的 CN-0418 是一款 4 通道电压和电流输出板,基于 AD5755-1 DAC,具有动态功率控制功能。

该电路提供 4 mA 至 20 mA 电流输出,以及单极或双极电压输出 (±10 V)。该板还具有 AD5700-1 HART 调制解调器,它提供了支持 HART 连接的完整模拟输出解决方案。还包括外部瞬态保护电路,这对于恶劣工业环境中的应用极为重要。

电流和电压输出在单独的引脚上提供,一次只有一个输出有效,允许两个输出引脚连接在一起并连接到一个端口。模拟输出具有短路和开路保护。

AD5755-1集成了基于DC-DC升压转换器电路的动态功率控制功能可编程序逻辑控制器,可降低电流输出模式下的功耗。

AD5755-1 有四个 CHART 引脚,分别对应四个输出通道。HART 信号可以耦合到这些引脚并出现在相应的输出上(如果启用了输出)。

图4.模拟输出板

RS-485 收发板

图 5 所示的 CN-0416 是一款隔离式和非隔离式 RS-485 收发器板,可轻松实现多个系统或节点之间的数据传输,尤其是长距离传输。

该电路使用 ADM2682E RS-485 收发器进行隔离通信,使用 LTC2865 RS-485 进行非隔离通信。两种器件都可以配置为全双工或半双工操作,具有开路或端接传输线。

该电路使用板载 RJ-45 插孔,因此可以使用常见的 CAT5 以太网电缆快速、物理地连接到节点。对于 CAT5 电缆的特性阻抗,终端电阻默认设置为 100 Ω,但可以配置为支持标准 RS-485 电缆的 120 Ω 阻抗。

ADM2682E 的数据速率可以达到 16 Mbps,提供真正安全的接收器输入和可调节的差分电压阈值。它使用提供 5 kV 信号隔离的 iCoupler 数据通道和提供 5 kV 电源隔离的 isoPower 集成 DC-DC 转换器。

LTC2865 的数据速率可以达到 20 Mbps,从而提供真正安全的接收器输入。内部窗口比较器无需调整差分输入电压阈值即可确定安全条件。

图5.RS-485收发板

为 HART 兼容的现场设备接线

图6.HART 兼容现场设备接线

HART 网络

HART 设备可以在两种网络配置之一中运行,点对点或多点。

图片[1]-评估和设计支持电路评估板(RS-485收发器)-老王博客

在点对点模式下,4 mA 至 20 mA 信号用于传输一个过程变量,而其他过程变量、配置参数和其他设备数据通过 HART 协议以数字方式传输。4 mA 至 20 mA 模拟信号不受 HART 信号影响,可用于控制。HART 协议提供对辅助变量和其他可用于实施操作、调试、维护和诊断的数据的访问。

Modbus 协议

EVAL-ADICUP3029 上运行的软件使用 Modbus 协议——事实上的开放工业通信标准。Modbus 提供了一种与各个节点交换数据的可靠方式,通过 CRC 错误检测确保数据完整性。作为一种开放标准,有许多开源和商业 Modbus 软件库可用于各种平台(例如 Windows®、Linux®、嵌入式平台等)。

该软件还提供简单的命令行界面 (CLI) 模式,使系统能够从串行端口手动验证,而无需在主机上加载任何附加软件。

硬件和软件堆栈

PLC/DCS节点系统软硬件协议栈如图7所示。

图7.PLC/DCS节点系统软硬件协议栈

配置PLC/DCS硬件后,用户一般根据语言(如C、Python、MATLAB)和主机平台(如Linux、Windows、嵌入式平台)选择适用的Modbus库。然后,必须编写一个简单的测试应用程序,将模拟和 HART 参数转换为 Modbus 寄存器地址和值。

CN-0435 用户指南提供了此应用程序的 Modbus 寄存器映射的完整描述,并使用开源 Modbus 调试器来验证 Modbus 合规性。

此外,还提供了几个基于开源 Modbus 库的顶级应用程序,包括:

检测系统配置:查询所有Modbus节点并显示配置。

读写输出保持寄存器:检查或更改所有测试板的输出保持寄存器的状态。

读取模拟输入寄存器:检查所有测试板的输入寄存器状态。

读取模拟数据:读取单个模拟输入或所有模拟输入并在控制台上显示数据。

写入模拟数据:写入模拟输出以产生电压或电流。

模拟回波:读取模拟输入板的模拟电压或电流,然后将相同的模拟电压或电流值写入模拟输出板。

常见变化

CN-0435软件无需本地处理即可读取模拟输入值并写入模拟输出值。该软件可以扩展为包括故障检测和响应等功能,或包括闭环 PID 控制回路,从主机卸载这些功能,节省通信总线上的带宽。

Raspberry Pi 可用作紧凑且廉价的主机解决方案。Raspberry Pi 提供有线或无线以太网连接,可直接连接到 EVAL-ADICUP3029 的 USB-UART。

目前最常用的三个 Modbus 版本是:Modbus ASCII、Modbus RTU 和 Modbus TCP。所有 Modbus 消息都以相同的格式发送。三种 Modbus 类型之间的唯一区别是消息的编码方式。

可通过 Modbus 连接的设备数量由物理层和数据协议决定。如果 RS-485 物理层与 Modbus RTU 或 Modbus ASCII 数据协议一起使用,则可寻址的最大节点数为 32,但是,如果以太网物理层与 Modbus TCP 数据协议一起使用,可寻址节点到 247。

设备地址是从 0 到 247 的数字。发送到地址 0 的消息(广播消息)被所有从站接受,但数字 1 到 247 是设备特定地址。

CN-0414 和 CN-0418 的 Arduino 外形确保与支持各种其他自动化通信协议的开发平台兼容,包括过程现场网络 (PROFINET)、过程现场总线 (PROFIBUS)、用于控制自动化技术的以太网 ( EtherCAT)、EtherNet /IP、Modbus Plus 和其他协议。

电路评估和测试

以下部分描述了进行参考演示所需的设备和一般步骤。该软件的 CLI 选项可用于组装 DCS 系统并测试其基本功能。有关完整说明和其他信息,请参阅分布式控制系统 (DCS) 演示 Wiki 用户指南。

设备要求

需要以下设备:

带有 USB 端口和 Windows 7(32 位)或更高版本的 PC

串行终端程序,例如 TeraTerm 或 Putty

一个或多个 EVAL-CN0414-ARDZ 电路评估板,和/或一个或多个 EVAL-CN0418-ARDZ 电路评估板,用于每个节点

一个或多个 EVAL-CN0416-ARDZ 板用于 Modbus 接口,另一个 EVAL-CN0416-ARDZ 板用于每个节点

带有附加 EVAL-CN0416-ARDZ 板(或其他半双工 RS-485 适配器)的 ADALM-UARTJTAG 评估板

每个节点一个 EVAL-ADICUP3029 评估板

微型 USB 数据线

一根 RJ-45 电缆用于 RS-485 接口,另一根电缆用于每个节点

PLC系统软件或预设的hex文件

24 V DC,1 A 电源

开始使用

以下是基本设置步骤:

将 EVAL-ADICUP3029 的 USB 电缆插入 PC 并将固件刷新到使用的每个电路板。

配置硬件。遵循分布式控制系统 (DCS) 演示 Wiki 用户指南。确保每个板上的跳线和开关设置正确。或者,对于模拟输入板,连接传感器或信号源,对于模拟输出板,连接执行器或万用表。

对于每个节点,按以下顺序将平台和扩展板堆叠在一起:

EVAL-CN0416-ARDZ(顶部)

EVAL-CN0414-ARDZ 或 EVAL-CN0418-ARDZ(可选)

EVAL-CN0414-ARDZ 或 EVAL-CN0418-ARDZ(可选)

EVAL-CN0414-ARDZ 或 EVAL-CN0418-ARDZ(可选)

EVAL-CN0414-ARDZ 或 EVAL-CN0418-ARDZ(可选)

EVAL-ADICUP3029(底部)

4.在节点和 RS-485 适配器(可能是 ADALM-UARTJTAG 和 EVAL-CN0416-ARDZ)之间连接一根 RJ-45 电缆。

5.将 RS-485 适配器连接到主机。

6.按下 3029_Reset 按钮,或重新启动系统。

有关完整详细信息,请参阅分布式控制系统 (DCS) 演示 Wiki 用户指南。

功能框图

图8.单节点PLC模拟量I/O系统

图9.DCS模拟量I/O系统

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THE END
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