基于STM32的RTU控制器設(shè)計

陳里 劉璐玲

摘 要：本文提出了一種RTU控制器的設(shè)計方案，用以解決特殊環(huán)境下現(xiàn)場設(shè)備無法實現(xiàn)人工控制的問題。根據(jù)方案完成了控制器的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對現(xiàn)場信號的采集和現(xiàn)場設(shè)備的控制。本設(shè)計具有穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)收發(fā)實時性強、誤碼率低和易于安裝等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于城市交通、能源、電力和油田等諸多領(lǐng)域，對提升各行業(yè)設(shè)備控制的自動化管控水平和生產(chǎn)效率有非常重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：RTU控制器；設(shè)計

RTU是基于傳感器技術(shù)和微控制技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸和控制器，它能夠?qū)邮赵O(shè)備的信號進行監(jiān)測，并將監(jiān)測的信號送給監(jiān)控端。當(dāng)接收到監(jiān)控端下發(fā)的命令后，可以對本機接入的輸出設(shè)備進行控制，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程調(diào)控。

1 系統(tǒng)介紹

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本次設(shè)計的RTU控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)以微控制器STM32F103C8作為核心器件，外部擴展了輸入檢測電路、通信電路、顯示電路和輸出控制電路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和輸出控制功能。系統(tǒng)上電后，首先對2路模擬量和數(shù)字量的輸入進行采集，采集結(jié)果送微控制器處理，并將處理后的結(jié)果送液晶顯示屏進行顯示。顯示完成后將得到數(shù)據(jù)打包，通過以太網(wǎng)接口和RS485同時發(fā)出。發(fā)送完成后，將2個通信口同時置為接收狀態(tài)，準(zhǔn)備接收監(jiān)控主機數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到監(jiān)控主機下發(fā)的命令后，根據(jù)命令對2路數(shù)字量的輸出進行控制。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 主控電路設(shè)計

本設(shè)計的控制核心單元是微控制器最小系統(tǒng)，它由STM32F103C8芯片、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 輸入檢測電路設(shè)計

輸入檢測電路采用AD8420將兩路輸入的4～20mA電流轉(zhuǎn)成電壓信號，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能；采用兩個TPL521光耦將輸入的24V信號轉(zhuǎn)成3.3V信號輸出，實現(xiàn)輸入數(shù)字信號的采集。輸入檢測電路如圖3所示。

2.2.1 模擬量檢測電路設(shè)計

輸入的4～20mA信號由Ain1和Ain2通過2個5R的電阻轉(zhuǎn)成直流信號后接入到U2和U5的2腳。再經(jīng)過電路放大28倍轉(zhuǎn)成0.6～2.8V的電壓，通過Aout6和Aout8輸出。Aout6和Aout8接微控制器的PB0和PB1引腳，程序通過讀取ADC_IN8和ADC_IN9的輸出來獲取輸入模擬量的值。

2.2.2 數(shù)字量檢測電路設(shè)計

從D1和D2輸入的24V電壓信號經(jīng)過R11和R15降壓后接在光耦的發(fā)生端，輸出端D1_IN和D2_IN接微控制器的引腳PB2和PB3。當(dāng)光耦導(dǎo)通時，D1_IN和D2_IN引腳將出現(xiàn)高電平信號，即STM32若在PB2和PB3檢測到高電平時，可以確認(rèn)外部有數(shù)字信號輸入。反之，若在PB2和PB3檢測到低電平，則表示外部無數(shù)字信號輸入。

2.3 輸出控制電路設(shè)計

輸出控制電路由繼電器和光耦構(gòu)成，用于輸出24V的控制信號。光耦用于隔離STM32的引腳和繼電器的線圈控制腳，防止主控芯片中傳入干擾而影響正常工作。電路如圖4所示。

2.4 顯示電路設(shè)計

液晶顯示電路如圖5所示。微控制器通過PB8～PB11引腳實現(xiàn)對LCD1602的控制。

2.5 通信電路設(shè)計

通信電路包括以太網(wǎng)通信電路與RS485通信電路兩部分。以太網(wǎng)通信電路采用SPI接口以太網(wǎng)模塊W5500來展開設(shè)計，RS485通信電路采用ISO3082來實現(xiàn)。電路如圖6所示。

2.5.1 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計

STM32和W5500之間采用4線SPI接口進行通信，它的PA4～PA7接W5500的SPI控制引腳。需要進行收據(jù)收發(fā)時，STM32首先通過PA4引腳輸出高電平，使能W5500工作。隨后在PA5引腳輸出讀寫脈沖，通過PA6引腳向W5500寫入配置數(shù)據(jù)，并通過讀取PA7引腳的輸出值獲得W5500的返回數(shù)據(jù)。

2.5.2 RS485通信電路設(shè)計

STM32通過串口1與ISO3082相連，串口1的發(fā)送線接ISO3082的6腳，輸出線接3082的4腳。電路工作后，若需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則STM32的PA8輸出高電平，使ISO3082進入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，隨后將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入串口1發(fā)送緩沖區(qū)。需要讀取數(shù)據(jù)時，PA8引腳輸出低電平使3082進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當(dāng)串口1申請接收中斷時，通過讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

根據(jù)RTU系統(tǒng)硬件可將軟件分主程序和通信程序兩個大部分。主程序用于實現(xiàn)本機輸入數(shù)據(jù)采集，并調(diào)用通信子程序與監(jiān)控主機完成數(shù)據(jù)交互工作，且能夠根據(jù)接收的數(shù)據(jù)控制輸出設(shè)備動作，響應(yīng)監(jiān)控主機下發(fā)的控制命令。

3.1 主程序設(shè)計

主程序首先對執(zhí)行參數(shù)進行初始化操作，完成初始化后再讀取1次本機的數(shù)據(jù)，并控制LCD1602液晶工作，顯示當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)。接著程序進入while（1）的循環(huán)中順序執(zhí)行如圖7所示的動作。

3.2 通信程序設(shè)計

3.2.1 通信程序設(shè)計

通信程序的主要功能是對數(shù)據(jù)發(fā)送和接收進行判斷。數(shù)據(jù)發(fā)送功能用于上傳本機數(shù)據(jù)，接收功能用于接收主機下發(fā)命令，為主機的輸出控制端的工作提供數(shù)據(jù)支持。通信程序流程如圖8所示。

3.2.2 通信協(xié)議制定

①監(jiān)控主機端下發(fā)數(shù)據(jù)

監(jiān)控主機下發(fā)的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。表1中的數(shù)據(jù)表示向地址為192.168.1.116的終端節(jié)點下發(fā)命令，控制節(jié)點Relay1和Relay2均不輸出。

②本機上傳數(shù)據(jù)

本機上傳的數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。表2中的數(shù)據(jù)表示地址為192.168.1.118的節(jié)點向網(wǎng)口上傳數(shù)據(jù)，本機的Relay1和Relay2位輸出，模擬量1的采集值為254，模擬量2的采集值為255，本機無數(shù)字量輸入。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于STM32微控制器的RTU控制器設(shè)計方案，通過軟硬件設(shè)計使控制器實現(xiàn)了本機數(shù)據(jù)采集、顯示和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互功能，并能根據(jù)接收端命令，控制數(shù)字量輸出，實現(xiàn)對接入設(shè)備的控制。本次設(shè)計的RTU控制器為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的自動化控制提供了一個有效的手段，能夠改變傳統(tǒng)控制理念，簡化控制操作，提升控制效率，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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[2]黃少偉，田京山，于殿強.埕島油田采油平臺RTU的設(shè)計[J].油氣田地面工程，2006，（1）：36.

（作者單位：武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 機械與電氣工程系）