HONEYWELL400-5034J输入模块;
HONEYWELL400-5034J输入模块;
HONEYWELL400-5034J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***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***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***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)，使设计更简单灵活；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***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***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，可以把模块功能更加完善。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。

Texas Instruments 500-5022
ALLEN BRADLEY 849-ZOA32 NSFP 849ZOA32
ALLEN BRADLEY 1326AB-B420ES2?L USPP 1326ABB420ES2L
TEXAS INSTRUMENTS PLC 500-5027 NSFP 5005027
TEXAS INSTRUMENTS 500-5062 **
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-4516 NSPP 5054516
(AA01) AC SERVO DRIVER PANASONIC MATSUSHITA MSD021P1EA01 WORKING
LEESON ELECTRIC CO 108502.00 USPP 10850200
One Panasonic AC Servo Driver MSMA013A1A Free Ship
SIEMENS 6FX-1120-3BC01 NSFP 6FX11203BC01
ASEA BROWN BOVERI 48990001-FE USPP 48990001FE
Texas Instruments 7MT700
ASEA BROWN BOVERI EHN550C-1 NSFP EHN550C1
SIEMENS 6ES5-155-3UA21 USPP 6ES51553UA21
ASEA BROWN BOVERI EH250-36VDC-T NSPP EH25036VDCT
ASEA BROWN BOVERI YB560103-CH NSFP YB560103CH
TEXAS INSTRUMENTS PLC 2497447-0001 USPP 24974470001
Texas Instruments 7MT200
ASEA BROWN BOVERI MHB63700L NSFP MHB63700L
TEXAS INSTRUMENTS PLC 500-2101 USPP 5002101
Panasonic MSMD042PJT AC Servo Motor 400W
Expedited shipping ailable
CTI-2576 Texas Instruments/Si?emens TI CTI2576 N6
INDRAMAT DKC04.3-100-7-?FW USPP DKC0431007FW
GENERAL ELECTRIC DS3800HXPA1D1D USPP DS3800HXPA1D1D
Texas Instruments PM550-400
ABB PLC S900 AI950S I/O System Analog Input TI4-Ex Temperature Module
Panasonic MSM042A2UE AC Servo Motor
ASEA BROWN BOVERI S6HQ800BWAS4 NSPP S6HQ800BWAS4
Panasonic AC Servo Motor MSMZ042B1E Free Ship
ASEA BROWN BOVERI ACS800-U1-0011?-5 NSFP ACS800U100115
Panasonic MSM102H1C AC SERVO MOTOR
Panasonic MSM022J1SX AC Servo Motor with 60 day warranty
ASEA BROWN BOVERI 57310001-S USPP 57310001S
(AB01) AC SERVO MOTOR PANASONIC MQDB011AAD03 (0190-19214 ) WORKING
Panasonic AC Servo Motor MHMD042P1U New in Box Free Ship
ASEA BROWN BOVERI 57287853 USPP 57287853
(AB01) AC SERVO DRIVER PANASONIC MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL MSD013A1XX
ASEA BROWN BOVERI 6024BP10300C NSFP 6024BP10300C
Panasonic MSDA023A1A AC Servo Driver New in Box Free Ship
MODICON AS-9000-810 USPP AS9000810
PANASONIC AC SERVO DRIVER MSD011A1XX18 Free Ship
ELECTRO CRAFT 9101-2161 USPP 91012161
TEXAS INSTRUMENTS PLC 525-1102 NSFP 5251102
BRINKMANN TL144S250 NSPP TL144S250
MODICON AS-584A-320 USPP AS584A320
SAJF// PANASONIC MSD043A1XXV MSM042A1E SC SERVO DRIVER SC SERVO MOTOR USED
INDRAMAT CLM01.3-X-0-4-?B USPP CLM013X04B
ALLEN BRADLEY 1756-LSP NSFP 1756LSP
Perceptron Frame Grabber Board 495-0191 #29401
Texas Instrument VPU200-3102
(AB01) AC SERVO DRIVER PANASONIC MATSUSHITA ELECTRIC MSD011A1XX18 WORKING
FISHER ROSEMOUNT DH6003X1-GA1 USPP DH6003X1GA1
KEYENCE CORP PI-C92 NSFP PIC92
Texas Instruments RTU-AOT-1 Analog Output Board 520-066
TEXAS INSTRUMENTS PLC 500-5884 USPP 5005884
COMPUMOTOR PK-130H USPP PK130H
ASEA BROWN BOVERI DSMB-137 USPP dsmb137
DANFOSS 195H3801 USPP 195H3801
Siemens TI 505-4516 PLC NIB New In Box
ASEA BROWN BOVERI 57088621 NSFP 57088621
TEXAS INSTRUMENTS PLC 305-17ADC USPP 30517ADC
MODICON 140-ACI-030-00 FNFP 140ACI03000
SIEMENS 6FX1-110-0AA02 USPP 6FX11100AA02
Texas Instruments 505-6516
ASEA BROWN BOVERI 57770163 NSFP 57770163
LEESON ELECTRIC CO 108502.00 USPP 10850200
ALLEN BRADLEY 6185-CACAAAA USPP 6185CACAAAA
PROCESS CONTROL CORP C1247 USPP C1247
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-4808 USPP 5054808
BOSCH B830-303074 NSPP B830303074
TEXAS INSTRUMENTS PLC 505-7190 NSFP 5057190
Texas Instruments 500-5038 Interface Module #23926
505-4832 Texas Instruments/Si?emens TI 5054832 R25
SICK OPTIC ELECTRONIC CLV-490-0010 USPP CLV4900010
SQUARE D 9070-T3000D3 USPP 9070T3000D3
BANNER ENGINEERING P4O1.3I USPP P4O13I
Perceptron Frame Grabber Board 495-0191 #29402