基于MODBUS‑RTU协议的现场总线控制模块的制作方法

本发明涉及工业仪器仪表技术领域，特别是涉及一种基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块。

背景技术：

电动执行机构是工业过程控制系统中的末端执行设备，其主要作用是将控制系统发出的控制信号转换成相应的动作，达到控制阀门内截流件的位置或其他调节机构位置的目的，广泛应用于电力、冶金、石化、供热、水泥、建材、轻纺、食品等行业。目前工业过程控制系统主要以集散式控制系统为主，电动执行机构普遍采用4～20mA直流模拟信号作为控制信号，然而采用模拟控制方式的工业控制系统存在抗干扰能力差、可靠性差等问题。随着基于现场总线技术的发展，MODBUS-RTU协议(越来越多地被用于工业过程控制系统中，因此，迫切地需要一种将现场总线技术应用于电动执行机构控制系统中，实现了全数字化的现场总线控制产品。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块，该基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块具有抗干扰能力强、可靠性高并能够实现全数字化控制的目的。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块，至少包括：

集成有A/D转换器、看门狗电路、Flash模块和EEPROM模块的微处理器；

用于采集电动执行机构位置信号的位置检测元件；

用于监测执行机构限位信息的限位报警元件；

用于监测执行机构力矩信息的力矩报警元件；

用于监测执行机构工况温度信息的温度报警元件；

用于控制微处理器工作状态的按键；

以及RS485接口电路；其中：

所述A/D转换器分别与位置检测元件电连接；所述微处理器通过光电隔离电路分别与限位报警元件、力矩报警元件、温度报警元件电连接；所述微处理器的I/O端口与按键电连接；所述微处理器的I/O端口与执行机构的电机控制端子电连接。

作为优选，本发明还采用了如下的附加技术特征：

进一步：所述微处理器的型号为ATMEGA88V。

进一步：所述位置检测元件为位置传感器；所述限位报警元件包括限位开关和报警装置；所述力矩报警元件包括力矩传感器和报警装置；所述温度报警元件包括温度传感器和报警装置。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本控制模块采用精确的MODBUS-RTU数字信号进行控制，增加了传输数据信息承载量和多样性，彻底解决模拟信号传输中的损耗和干扰，提高了抗干扰能力。

2.本控制模块采用一款高集成度、高性能的微处理器使得电路简单、外围器件少，其将各个功能块集成到一个模块中，实现控制模块的高精度、紧凑化、一体化的效果。

3.本发明采用光电隔离技术，实现基于MODBUS-RTU现场总线的和控制电路电气隔离，提高了控制模块的稳定性和可靠性，实现了控制模块的高精度、紧凑化、一体化的效果。

附图说明

图1是本发明优选实施例的结构框图；

图2是本发明优选实施例的局部电路图，主要用于显示微处理器部分的电路连接结构；

图3是本发明优选实施例的局部电路图，主要用于显示光电隔离电路部分的电路连接结构；

图4是本发明优选实施例的局部电路图，主要用于显示RS485接口部分的电路连接结构。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图4，一种基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块，包括：

集成有A/D转换器、看门狗电路、Flash模块和EEPROM模块的微处理器；

用于采集电动执行机构位置信号的位置检测元件；

用于监测执行机构限位信息的限位报警元件；

用于监测执行机构力矩信息的力矩报警元件；

用于监测执行机构工况温度信息的温度报警元件；

用于控制微处理器工作状态的按键；

以及RS485接口电路；其中：

所述A/D转换器分别与位置检测元件电连接；所述微处理器通过光电隔离电路分别与限位报警元件、力矩报警元件、温度报警元件电连接；所述微处理器的I/O端口与按键电连接；所述微处理器的I/O端口与执行机构的电机控制端子电连接。

作为优选，在上述优选实施例中：

所述微处理器的型号为ATMEGA88V。

所述位置检测元件为位置传感器；所述限位报警元件包括限位开关和报警装置；所述力矩报警元件包括力矩传感器和报警装置；所述温度报警元件包括温度传感器和报警装置。

上述优选实施例中的基于MODBUS-RTU协议的现场总线控制模块主要包括微处理器、光电隔离电路、按键及隔离RS485接口电路构成，其中，微处理器选用了ATMEL公司的ATMEGA88V高性能微处理器，ATMEGA88V微处理器具有集成A/D转换器、看门狗电路、Flash和EEPROM等功能。微处理器通过I/O接口与按键连接。按键操作可以接收用户发出的命令。微处理器通过A/D接口与输入的位置信号相连接，微处理器的A/D接口能够将位置信号由模拟信号转换为数字信号，微处理器通过光电隔离电路与输入的报警信号相连接，完成对位置信号及报警信号的数据采集。微处理器通过I/O接口输出电机控制信号控制执行机构的运行。微处理器通过光电隔离RS485接口电路接收的上位机的控制数据翻译处理后，通过串行通信接口传送回微处理器，同时将微处理器的反馈信息通过总线协议芯片发送给上位控制系统。

下面对各部分电路具体说明：

微处理器控制部分的电路图如图2所示，其主要包括微处理器ATMEGA88V芯片、晶振电路和专用的复位芯片，所有的软件程序和系统参数分别存储在ATMEGA88V芯片的Flash和EEPROM中，晶振电路向ATMEGA88V芯片提供稳定的时钟信号；复位电路选用专用的复位芯片保证ATMEGA88V在稳压电源低于4.2V的情况下复位。ATMEGA88V分别与隔离电路、按键及光电隔离RS485接口电路相连接，主要完成：限位报警信号、力矩报警信号和温度报警信号等报警信号及位置信号的采集和处理；执行机构运行状态信息、参数设定信息的显示；接收总线数据并结合本地采集的信息进行处理并将处理结果传输给微处理器，同时对执行机构进行控制。

光电隔离电路部分的电路如图3所示，该电路采用了三个6156-3光电隔离芯片对执行机构的限位报警、力矩报警和温度报警等开关量信号进行光电隔离，然后送到微处理器的I/O端口，采用光电隔离电路避免了上述报警信号对微处理器的干扰。

隔离RS485接口电路部分的电路图如图4所示，为提高系统的可靠性水平和消除外界的干扰信号，该电路采用了光耦隔离芯片三个HCPL601对通讯信号进行隔离，RS485接口电路选用SN65ALS176作为总线驱动芯片。

本发明的工作原理为：工业过程控制系统通过RS485接口电路将命令传送给执行器，RS485接口电路经过光电隔离电路将数据翻译后再传送给微处理器，微处理器根据接收到的数据并结合本地采集的信息，经过运算处理后，再通过电机控制信号模块控制执行机构动作，同时通过位置信号模块采集到的当前位置信息、报警信号模块采集到的故障报警信息和工作状态信息经过微处理器运算处理后将处理结果通过隔离电路和RS485接口电路传到工业过程控制系统，至此实现上位系统对执行机构的远程控制。

本发明采用ATMEGA88V微处理器控制，实现基于MODBUS-RTU现场总线的数字化控制，提高了控制模块的稳定性和可靠性，实现了控制模块的高精度、紧凑化、一体化的效果。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。