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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、物料清单、软件
电路功能与优势
可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)被用于监测和控制工业自动化应用中的智能（支持 HART）和模拟现场仪器仪表。
图 1 所示的电路是一个简单的 DCS 系统，由一台主机、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，这些板由 Arduino 尺寸基板在本地管控。RS-485 收发器连接至 PC 或其他主机，如此，用户可以使用 Modbus 协议与节点交换数据。
模拟输入数据从本地读取，通过使用行业标准 Modbus 协议的串行接口提供，确保在一系列软件应用和库中，保证数据完整性和可兼容性。同样地，模拟输出通过向 Modbus 寄存器写入来置位，然后被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，最多 16 个节点的多节点系统在设计时，可以使用提供的硬件和软件基础架构。该电路支持点对点 HART 通信，可以扩展为多分转站 HART 网络，在同一通道上集成多个 HART 器件。
每个板（4 个一组）的模拟输入和模拟输出都实施电气隔离，模拟输入支持开路检测，简化了故障检测和诊断过程。在严峻的工业自动化环境中使用时，这些功能可以增强可靠性和耐用性。
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
该应用侧重于展示受 Modbus 主机管控的 PLC/DCS 系统的开发，并且通过示例说明如何使用重要组件的最新功能。单节点系统通常被称为 PLC，更大型的系统则通常被称为 DCS。
每个节点可以管控多达 16 个模拟现场器件、传感器或驱动器（兼容 HART 或仅支持模拟），系统可以扩展，最多包含 16 个单独的节点。该系统也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
支持多个连接拓扑。在单节点（PLC，或单节点 DCS）系统中，主机可利用 micro-USB 电缆，直接连接至 EVAL-ADICUP3029 平台板的 USB 串行端口，非常适合要求主机和节点之间距离小于 2 米的实验室测试和测量应用。
在这个点对点拓扑中，电路板四个一组的模拟输入和输出仍然与主机保持隔离。虽然一般来说与实验室设备不相关，但 Modbus 协议提供一种方便、标准的与节点通信的方法。HART 连接支持对智能传感器和驱动器实施配置。
主机和节点之间的距离增大到 2 米以上时，信号完整度、噪音拾取和电气故障会成为更严重的隐患。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，支持在 1 km 以上距离中进行全双工或半双工通信，具体由波特率决定。
对于多节点系统（称为 DCS 更加合适），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端电极，因此系统可以集成 2 到 16 个节点。
因为 Modbus 被用作串行通信协议，以通过串行链路，在器件之间发送信息，因此无论规模大小，都可以实现简单、可靠且耐用的系统。PLC/DCS 应用的硬件协议栈包含三个不同的参考设计。
模拟输入板
图 3 所示的 CN-0414 用于测量 4 个全差分信号，或者测量 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)，集成了±10 V 和 20 mA 模拟前端。
其电压输入支持最高±10 V 的输入范围。AD4111 具有独特的特性，支持在±10 V 电压输入上进行开路检测，同时采用 5 V 或 3.3 V 单电源供电，而之前的解决方案一般都需要大于±10 V 的电源。
电流输入支持 0 mA 至 24 mA 输入范围。电路的输入阻抗为 250 Ω（AD4111 内部为 60 Ω），所有输入都以绝缘接地为基准。电流输入上需要 250 Ω输入电阻，以使符合 HART 要求的 AD5700-1 调制解调器可与 AD4111 配合使用。
电路的模拟前端 AD4111 和 AD5700-1 通过 ADuM5411 和 ADuM3151 与处理侧隔离，相比基于分立式变压器的解决方案，能够节省大量空间。
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非常典型，因此能够轻松集成到您的系统之中。
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，以具备动态功率控制功能的 AD5755-1 DAC 为基础构建。
此电路提供 4 mA 至 20 mA 电流输出，以及单极性或双极性电压输出(±10 V)。此板还配有 AD5700-1 HART 调制解调器，提供完整的支持 HART 连接的模拟输出解决方案。 同时还包括外部瞬变保护电路，这对恶劣工业环境中的应用极其重要。
电流输出和电压输出通过独立引脚提供，一次仅一个输出处于有效状态，因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。模拟输出受短路和开路保护。
AD5755-1 集成基于 DC-DC 升压转换器电路的动态电源控制功能，在电流输出模式下可降低功耗。
AD5755-1 有四个 CHART 引脚，分别对应于四个输出通道。HART 信号可以耦合至这些引脚，并出现在对应的输出端（如果该输出已使能）。
图 4. 模拟输出板
图 5 所示的 CN-0416 是一款隔离和非隔离式 RS-485 收发器板，能够在多个系统或节点之间轻松实施数据传输，尤其是在长距离下。
该电路使用 ADM2682E RS-485 收发器来进行隔离通信，使用 LTC2865 RS-485 来进行非隔离通信。 这两种器件都可以配置进行全双工或半双工操作，具备开路或端接传输线。
该电路采用板载式 RJ-45 插孔，因此能够使用常用的 CAT5 以太网电缆，快速和节点物理连接。端电极电阻被默认设置为 CAT5 电缆的特性阻抗 100 8486;，但在配置之后，可以支持标准 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经过调整的差动电压阈值。它使用 iCoupler 数据通道，提供 5 kV 信号隔离，利用 isoPower 集成式 DC-DC 转换器，提供 5 kV 电源隔离。
LTC2865 的数据速率可以达到 20 Mbps，提供真正安全的接收器输入。由一个内部窗口比较器确定安全状况，无需调节差动输入电压阈值。
兼容 HART 的现场器件的接线
HART 网络
HART 器件可在点对点或多分转站这两种网络配置中的一种运行。
在点对点模式下，4 mA 至 20 mA 信号被用于传输一个过程变量，而额外的过程变量、配置参数和其他器件数据则通过 HART 协议以数字方式传输。4 mA 至 20 mA 模拟信号不会受到 HART 信号影响，可用于实施控制。HART 协议提供访问辅助变量和其他数据的权限，这些数据可用于实施操作、调试、维护和诊断。
Modbus 协议
在 EVAL-ADICUP3029 上运行的软件采用 Modbus 协议——一种事实上的开放型工业通信标准。Modbus 提供一种与单个节点交换数据的可靠方式，通过 CRC 误差检测来确保数据的完整性。作为一项开放标准，存在众多可用的开放源和商用 Modbus 软件库，适用于各种平台（例如 Windows®、Linux®、嵌入式平台等）。
这些软件也提供简单的命令行接口(CLI)模式，使系统能够从串行端口手动验证，无需主机上装载任何额外的软件。
硬件和软件协议栈
PLC/DCS 节点系统软件和硬件协议栈如图 7 所示。
图 7.PLC/DCS 节点系统软件和硬件协议栈
配置 PLC/DCS 硬件之后，用户一般会根据语言（例如 C、Python、MATLAB）和主机平台（例如 Linux、Windows、嵌入式平台）选择适用的 Modbus 库。然后，必须编写简单的测试应用程序，将模拟和 HART 参数转化为 Modbus 寄存器地址和值。
CN-0435 用户指南提供此应用程序的 Modbus 寄存器映射的完整描述，并使用开源 Modbus 调试器来验证 Modbus 的合规性。
此外，还提供多个基于开源 Modbus 库的顶层应用，包括：
• 检测系统配置：查询所有 Modbus 节点，显示配置。
• 读写输出保持寄存器：检查或更改所有受检测板的输出保持寄存器的状态。
• 读取模拟输入寄存器：检查所有受检测板的输入寄存器的状态。
• 读取模拟数据：读取单个模拟输入或所有模拟输入，在控制台显示数据。
• 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，然后将相同数值的模拟电压或电流写入模拟输出板。
常见变化
CN-0435 软件读取模拟输入值和写入模拟输出值，无需实施本地处理。该软件可以扩展包含故障检测和响应等功能，或者包含闭环 PID 控制环路，从主机上卸载这些功能，节省通信总线的带宽。
树莓派可以用作结构紧凑、价格低廉的主机解决方案。树莓派提供有线或无线以太网连接，可以直接连接至 EVAL-ADICUP3029 的 USB-UART。
如今最常用的三种 Modbus 版本分别为：Modbus ASCII、Modbus RTU 和 Modbus TCP。所有 Modbus 消息都采用相同格式发送。这三种 Modbus 类型的唯一区别在于消息的编码方式。
可以通过 Modbus 连接的器件的数量由物理层和数据协议决定。如果 RS-485 物理层和 Modbus RTU 或 Modbus ASCII 数据协议一起使用，那么可以寻址的节点的最大数量为 32，但是，如果以太网物理层和 Modbus TCP 数据协议一起使用，则可以寻址的节点为 247 个。
器件的地址是从 0 至 247 的数字。发送至地址 0 的消息（广播消息）会被所有从机接受，但 1 到 247 这些数值是特定器件的地址。
CN-0414 和 CN-0418 的 Arduino 尺寸确保与支持广泛的其他自动化通信协议的开发平台兼容，包括过程现场网(PROFINET)、过程现场总线(PROFIBUS)、控制自动化技术的以太网(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他协议。
电路评估与测试
以下部分将介绍采用参考演示所需的设备和一般步骤。可使用软件的 CLI 选项，来装配 DCS 系统并测试其基本功能。如需查看完整说明和附加信息，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：
• 具有 USB 端口和 Windows 7（32 位）或更高版本的 PC
• 串行终端程序，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，适用于每个节点
• 一个或多个 EVAL-CN0416-ARDZ 电路板，适用于 Modbus 接口，另一个 EVAL- CN0416-ARDZ 板，适用于每个节点
• 一个 ADALM-UARTJTAG 评估板，带有一个附加 EVAL-CN0416-ARDZ 板（或其他半双工 RS-485 适配器）
• 一个 EVAL-ADICUP3029 评估板，适用于每个节点
• Micro USB 电缆
• 一根 RJ-45 电缆，用于 RS-485 接口，另一根电缆用于每个节点
• PLC 系统软件或预置的十六进制文件
• 1 A 电源时采用 24 V 直流电压
开始使用
以下是基本设置步骤：
1. 将 EVAL-ADICUP3029 的 USB 电缆插入 PC，然后将固件闪存到使用的每个电路板上。
2. 配置硬件。遵循分布式控制系统(DCS)演示 Wiki 用户指南。确保正确设置每块板上的跳线和开关。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，则连接执行器或万用表。
3. 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 RJ-45 电缆。
5. 将 RS-485 适配器连接至主机。
6. 按 3029_Reset 按钮，或重新启动系统。
如需查看完整细节，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 I/O 系统
图 9.DCS 模拟 I/O 系统
