基于STM32處理器與Modbus/485協(xié)議的主軸電機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴 明，李軍科，孟召議

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無錫 214153；江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心，江蘇 無錫 214153)

《中國制造2025》規(guī)劃明確提出今后我國將逐步完成工廠的“智能制造”升級(jí)。本文設(shè)計(jì)的主軸電機(jī)溫控系統(tǒng),就是為了幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能溫控。主軸電機(jī)是指轉(zhuǎn)速超過10000 r/min的交流電機(jī)，可應(yīng)用于切割、拋光、雕刻方面，有很大的應(yīng)用市場。國外中等規(guī)格加工中心電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速普遍已達(dá)到20000 r/min，主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其電機(jī)溫度會(huì)升高[1]，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到25000 r/min時(shí)，溫度可達(dá)50 ℃；溫度過高會(huì)使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至導(dǎo)致其不能正常工作，同時(shí)也會(huì)加劇電機(jī)繞組絕緣材料的老化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電機(jī)燒毀。對(duì)于主軸電機(jī)生產(chǎn)廠家而言，在電機(jī)出廠前最重要的一步就是測試主軸電機(jī)的溫度特性。目前采用的測試方法是工人手持溫度測試儀進(jìn)行手動(dòng)測量，發(fā)現(xiàn)溫度過高時(shí)則手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此降低主軸電機(jī)的溫度。很顯然,手動(dòng)測量需要耗費(fèi)人力，效率不高，特別是溫度測試不精確、測試時(shí)機(jī)不佳等制約了企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展?；诖?，本系統(tǒng)研究并應(yīng)用Modbus/485協(xié)議，利用嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度實(shí)時(shí)采集，構(gòu)建基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)。

一、整體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW虛擬儀器與Modbus/485總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)測試現(xiàn)場電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與驅(qū)動(dòng)器控制。Pt100鉑電阻毫伏級(jí)電橋信號(hào)經(jīng)差分儀表放大器放大后通過24位高精度四通道AD1224采集主軸電機(jī)表面溫度，嵌入式處理器作為從站設(shè)備負(fù)責(zé)提供溫度采集模塊的Modbus通信接口，溫度采集模塊與上位PC機(jī)通過Modbus/485總線協(xié)議組建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、溫度等參數(shù)可以在LabVIEW前面板實(shí)時(shí)顯示，操作者可以設(shè)定轉(zhuǎn)速/時(shí)間測試規(guī)程并對(duì)出現(xiàn)的異常情況作出響應(yīng)，測控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 主軸電機(jī)溫度測控系統(tǒng)框圖

二、測溫與數(shù)據(jù)庫原理

(一)Pt100溫度測試原理

Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的主要特點(diǎn)是測量精度高、穩(wěn)定性好。它利用其阻值與所測溫度成一定函數(shù)關(guān)系來測量溫度[2]，溫度的采集范圍可以在-200 ℃～+850 ℃，測量精確度是眾多溫度傳感器中最高的，Pt100主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量與控制。

Pt100鉑電阻傳感器在0 ℃的電阻阻值為100 Ω，其電阻變化率為0.3851 Ω/℃, 按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TRC=0.003851。其溫度/電阻特性的關(guān)系表達(dá)式為：

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

(-200 °C

(1)

Rt=R0[1+At+Bt2](0 °C

(2)

式(1)(2)中Rt為t℃時(shí)的電阻值，R0為0 ℃時(shí)的電阻值。電阻Rt與溫度t的函數(shù)關(guān)系可近似表示為線性函數(shù)：Rt=R0(1+At)。Pt100的線性較好，當(dāng)溫度在0 ℃～100 ℃時(shí)，其最大非線性偏差小于0.5 ℃。Pt100溫度/電阻曲線如圖2所示，Pt100部分溫度與阻值關(guān)系如表1所示。

圖2 Pt100溫度/電阻曲線

表1 Pt100部分溫度與阻值關(guān)系

(二)LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接

LabVIEW是一種圖形化編程語言，是用圖標(biāo)和流程圖來替代編程的一種開發(fā)軟件[3]，可用于數(shù)據(jù)的采集與分析、測試測量等領(lǐng)域，系統(tǒng)上位機(jī)接收終端節(jié)點(diǎn)采集溫度并讀寫Access本地?cái)?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)。LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫的方式有多種，結(jié)合本設(shè)計(jì)需求，采用LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)其與數(shù)據(jù)庫的連接。利用LabSQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問，其方式是調(diào)用一些特殊功能的VI模塊，在使用LabSQL前，需要在Windows操作系統(tǒng)中的ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)源名稱DNS，LabSQL與數(shù)據(jù)庫之間的連接建立在DNS基礎(chǔ)上。

三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含Pt100鉑電阻溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路、ADS1224模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、TTL轉(zhuǎn)MAX485電路及STM32F103VET6核心板電路。

(一)Pt100信號(hào)調(diào)理電路

Pt100電橋電路與信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。三線Pt100鉑電阻由J8接口引入，與R33、R34、R36組成不平衡電橋，將Pt100鉑電阻轉(zhuǎn)化為毫伏電壓差信號(hào)，再經(jīng)過儀表放大器AD620得到調(diào)理信號(hào)。AD620輸入偏置電流小，精度高，外接在AD620的1腳與8腳之間的電阻R45可以設(shè)置放大電路的增益，增益為G=1+49.4K/R45。電路中四個(gè)電阻全部選用0.1%精度。REF3030提供標(biāo)準(zhǔn)的3 V橋路電壓，Pt100允許通過的電流≤5 mA。

圖3 Pt100信號(hào)調(diào)理電路

(二)ADS1224模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

四路AD620儀表放大器輸出信號(hào)接入ADS1224四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。ADS1224是24位△-∑的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),具有低功耗、高性能等特點(diǎn)。圖4是ADS1224模數(shù)轉(zhuǎn)換外圍電路，ADS1224內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)CLK由STM32F103VET6芯片內(nèi)部定時(shí)器中斷控制PA4管腳電平跳變而產(chǎn)生，其時(shí)鐘信號(hào)SCLK、采樣數(shù)據(jù)輸出信號(hào)DOUT分別與處理器內(nèi)部同步串行口SPI1通信，即PA5/PA6與SCLK/DOUT對(duì)應(yīng)，模擬電源AVDD與數(shù)字電源DVDD分別設(shè)計(jì)為5 V與3.3 V，電壓基準(zhǔn)芯片LM336提供模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓VREFP，PA11/PA12連接MUX0/MUX1作為輸入通道選擇信號(hào)線。

圖4 ADS1224四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

(三)TTL轉(zhuǎn)MAX485電路

選擇Modbus/485協(xié)議實(shí)現(xiàn)各測控節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間通信，TTL電平轉(zhuǎn)485電平電路如圖5所示。R/D信號(hào)控制發(fā)送與接收使能[4]。R/D低電平，下位機(jī)等待接收主機(jī)命令，發(fā)送禁止；R/D置高電平，接收禁止，發(fā)送使能。RS485接口采用差分方式傳輸。485A/B之間并接120 Ω匹配電阻，減少傳輸線路信號(hào)回波反射現(xiàn)象。另外，485A/B分別通過電阻R8、R9接地、上拉，使485A端電平高于485B端電平，這樣當(dāng)主機(jī)不發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí)，485芯片輸出高電平處于穩(wěn)定狀態(tài)。本系統(tǒng)中STM32F103VET6作為Modbus從站通過RS485總線與上位PC主站通信。

圖5 TTL轉(zhuǎn)MAX485電路

(四)STM32F103VET6核心板電路

STM32F103VET6內(nèi)核采用ARM 32位的CortexTM-M3 CPU，其最高工作頻率為72 MHz。采用單周期乘法和硬件除法的算法。STM32F103VET6核心電路由電源電路、時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路組成，主要是通過SPI口連接24位ADC采樣芯片實(shí)現(xiàn)溫度采集，同時(shí)運(yùn)行Modbus從站協(xié)議實(shí)現(xiàn)溫度與PC機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)器之間的Modbus通信。硬件電路設(shè)計(jì)中，PA9/PA10管腳設(shè)置為USART1_RX/TX功能，分別連接SP3485芯片的RX_485/TX_485管腳，與PC機(jī)進(jìn)行RS485通信。PA4/5/6/7管腳設(shè)置為SPI1_NSS、SPI1_SCLK、SPI1_MISO、SPI1_MOSI 同步串行口功能，控制ADS1224高精度ADC對(duì)溫度進(jìn)行采集。由于篇幅所限，這里省略核心板電路，相關(guān)內(nèi)容參考ST手冊。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(一)Modbus RTU協(xié)議及CRC原理

Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種通信協(xié)議，采用主從問答方式工作，允許1個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)通信[5]，在自動(dòng)化行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。所有支持Modbus協(xié)議的終端設(shè)備可以相互通信，連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。Modbus協(xié)議有兩種傳輸方式:ASCII方式和RTU方式。本系統(tǒng)采用針對(duì)嵌入式平臺(tái)的免費(fèi)freeModbus協(xié)議棧完成STM32F103VET6平臺(tái)代碼移植。

CRC是一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，可以任意選定其信息字段與校驗(yàn)字段的長度，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，將所得結(jié)果附在信息幀的后面，接收設(shè)備也執(zhí)行類似算法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性。Modbus協(xié)議采用CRC-16作為鏈路層數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?yàn)碼。

(二)32位處理器平臺(tái)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的開放系統(tǒng)互連OSI參考模型中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被劃分為七個(gè)層次，自上而下分別是應(yīng)用層、會(huì)話層、表示層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層。

Modbus協(xié)議是第七層應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它連接不同總線，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。Modbus協(xié)議通信采用master/slave方式，master發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，而slave接收到正確消息后向master發(fā)送數(shù)據(jù)以響應(yīng)請求。本系統(tǒng)中PC機(jī)利用LabVIEW提供的串口通信組件，根據(jù)Modbus協(xié)議設(shè)計(jì)模塊化通信程序，LabVIEW具有6個(gè)串口通信節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)串口初始化、串口讀、串口寫、串口緩存檢測、串口暫停及關(guān)閉串口功能。

圖6是Modbus協(xié)議幀與字符信息傳輸時(shí)序，Modbus報(bào)文RTU幀由時(shí)長至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間距以連續(xù)的字符流發(fā)送整個(gè)報(bào)文幀，兩個(gè)字符時(shí)間間隔小于1.5個(gè)字符，否則報(bào)文幀被認(rèn)為不完整而被接收節(jié)點(diǎn)丟棄[6]。采用串口中斷發(fā)送、串口中斷接收與定時(shí)器中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)文幀與字符時(shí)序控制。

圖6 Modbus協(xié)議幀與字符信息傳輸時(shí)序

圖7給出了freeModbus協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)流程圖。系統(tǒng)初始化階段，執(zhí)行eMBInit()函數(shù)，此函數(shù)包含Modbus數(shù)據(jù)幀類型、從站地址、串口序號(hào)、波特率以及檢驗(yàn)方式。其次執(zhí)行eMBEnable()函數(shù)，啟動(dòng)freeModbus協(xié)議棧。最后在主程序while循環(huán)內(nèi)部，輪詢eMBpoll()函數(shù)，當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則驗(yàn)證從機(jī)地址和數(shù)據(jù)幀完整性，提取功能碼執(zhí)行xFuncHandlers()中相應(yīng)的事件處理函數(shù)。Modbus協(xié)議采用主從模式，PC主機(jī)發(fā)送04碼讀取STM32F103VET6溫度采集模塊內(nèi)部輸入寄存器的溫度、電壓模擬量以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的監(jiān)控。

圖7 freeModbus協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)流程

(三)ADS1224單次采樣流程

ADS1224采樣可以通過延遲法、查詢法、中斷法三種方法實(shí)現(xiàn)。圖8為SPI1控制ADS1224的單次采樣流程框圖，采樣開始后SPI1管腳功能復(fù)用，8位的SPI字長，時(shí)鐘上升沿時(shí)刻將數(shù)據(jù)輸出，下降沿時(shí)刻則鎖存數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)SPI時(shí)鐘為高電平。禁止SPI自發(fā)自收，使能為主機(jī)模式，禁止SPI發(fā)送接收中斷，使能SPI fifo有效。設(shè)置SPI發(fā)送接收波特率。SPI發(fā)送左對(duì)齊，MSB先發(fā)，發(fā)送緩沖寄存器為16位，偽數(shù)據(jù)需左移8位后進(jìn)行加載，在接收時(shí)右對(duì)齊，可直接取低8位數(shù)據(jù)。

圖8 ADS1224單次采樣流程

在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后設(shè)置SPI1_MISO管腳為通用IO輸入，通過查詢法檢測DOUT是否為0，若是0，則AD轉(zhuǎn)換完成，SPI1_MISO重新置SPI接收功能。接著通過SPI1_MISO管腳發(fā)出3個(gè)字節(jié)偽數(shù)據(jù)，SPI時(shí)鐘啟動(dòng)。

SPI1_MISO則在時(shí)鐘下降沿依次接收24位的采樣數(shù)據(jù)。在第25個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行發(fā)送時(shí)，DOUT置高電平，再由SPI_DR寄存器發(fā)送偽數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后在下一次采樣接收前再恢復(fù)字長為8。第26個(gè)時(shí)鐘啟動(dòng)ADS1224自校準(zhǔn)。自校準(zhǔn)期間外部模擬輸入信號(hào)無須斷開，內(nèi)部自校準(zhǔn)信號(hào)可自動(dòng)接入。自校準(zhǔn)完成后，DOUT信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平。

五、LabVIEW主站測控軟件實(shí)現(xiàn)

位于布爾和經(jīng)典布爾選板上的布爾控件可用于創(chuàng)建按鈕、開關(guān)和指示燈。布爾控件用于輸入并顯示布爾值(TRUE/FALSE)。本項(xiàng)目用于監(jiān)控一個(gè)從站1的四路模擬量值，每通道電壓采樣值超過一定水平時(shí)，即發(fā)出警告。圖9、圖10是用來指示電機(jī)速度和電壓模擬量采樣結(jié)果的儀表與指示燈控件。

圖9 顯示電機(jī)速度儀表控件

圖10 提示標(biāo)簽與指示燈、顯示控件

測試連線連接后用萬用表測量，在無短路的情況下上電測量，如果數(shù)據(jù)采集過程中某一路設(shè)備無信號(hào)輸出，可以使用Modbus調(diào)試助手測試單個(gè)從站設(shè)備?；贚abVIEW與Modbus/485的電機(jī)參數(shù)測控界面如圖11所示，PC機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了參數(shù)配置、數(shù)據(jù)讀寫、參數(shù)趨勢圖等控件功能。

圖11 基于LabVIEW與Modbus/485電機(jī)參數(shù)測控界面

六、系統(tǒng)測試

每個(gè)溫度采集模塊通過ADS1224分四路對(duì)Pt100鉑電阻電壓信號(hào)采樣，如果數(shù)據(jù)采集過程中某一路設(shè)備無信號(hào)輸出，可以使用Modbus調(diào)試助手調(diào)試單個(gè)從站設(shè)備。本項(xiàng)目主要使用讀輸入寄存器04碼讀取溫度采集模塊參數(shù)，03碼讀取速度寄存器，06碼寫速度寄存器。本研究測試了單一模塊中四路Pt100電阻采集的溫度信號(hào)，并把結(jié)果與溫度儀測試結(jié)果比較，如表2所示。數(shù)據(jù)顯示與Fluk溫度儀測量誤差控制在0.05 ℃內(nèi)，說明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路電機(jī)溫度的采集、上傳與顯示，能夠代替手工測量，解決人工測量的不確定性問題。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果

七、結(jié)論

本系統(tǒng)研究了一種基于STM32處理器與Modbus/485協(xié)議的主軸電機(jī)溫控系統(tǒng),每個(gè)溫度采集模塊通過ADS1224分四路對(duì)Pt100鉑電阻電壓信號(hào)采樣，利用 Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和模擬電壓的輸出控制?，F(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能很好地采集主軸電機(jī)的溫度，并將其上傳到上位機(jī)LabVIEW，以便用戶實(shí)時(shí)查看當(dāng)前和歷史溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的主軸電機(jī)溫度采集及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)了智能控制。