基于nRF2401的PLC無線通信控制器

時間：2010-04-26 13:32:13

關鍵字：無線通信 NRF2401 PLC 通信控制器

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[導讀]介紹一種利用nRF2401無線通信模塊實現(xiàn)PLC間數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆椒ǎ墒股a(chǎn)現(xiàn)場的PLC靈活布置，并節(jié)省布線成本。該系統(tǒng)設計是針對西門子S7-200PLC，單片機從PLC獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絥RF240l以實現(xiàn)無線通信，由此實現(xiàn)PLC之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)試驗表明：該無線通信控制器可在9 m范圍實現(xiàn)PLC間數(shù)據(jù)的無線傳輸。

隨著信息科學技術的發(fā)展，無線通信技術應用廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)控制中，現(xiàn)階段通信方式基本上還都是以有線方式，實現(xiàn)各種控制功能，但有線網(wǎng)絡布線麻煩，線路故障難以檢查，設備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動等缺點越發(fā)突出。針對上述問題，這里提出一種基于nRF2401的PLC無線通信控制設計方案。

1 系統(tǒng)總體設計
針對西門子S7-200 PLC，設計基于nRF2401的PLC無線通信控制器，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

    在發(fā)送信號時，單片機從PLC獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)nRF2401傳輸至另一臺PLC；接收數(shù)據(jù)時，nRF240l從另一臺PLC接收信號，經(jīng)單片機傳送到接收端的PLC。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 單片機與PLC接口電路
    在西門子S7-200 PLC端，通過RS-485總線與單片機AT89S52通信，為了避免RS-485信號與單片機之間的電氣信號不匹配，二者之間采用6N137進行光電隔離。
    在PLC端，采用MAX485通過一個9針端口與西門子S7-200 PLC的自由接口連接，MAX485通過光電隔離6N137與單片機AT89S52相連。單片機的P1．2通過光電隔離6N137控制MAX485的使能端和DE。當為邏輯0時，MAX485處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，則處于發(fā)送狀態(tài)。在任意時刻這2個使能端都只有1引腳有效。使得MAX485能夠滿足其半雙工的通信方式。
    接收與發(fā)送控制信號時，單片機的P3．0／RXD端通過6N137與MAX485的R0端相連，單片機的P3．1／TXD通過6N137與MAX485的DI端相連，從而實現(xiàn)PLC與單片機的通信。其電路原理圖如圖2所示。

2．2 單片機與nRF240l接口電路
在無線通信端，單片機AT89S52與nRF2401模塊相連實現(xiàn)無線通信。此處，由于單片機用5 V電源供電，而nRF2401采用3．3 V電源供電，為了避免兩者之間產(chǎn)生電氣干擾，仍需要采用光電隔離實現(xiàn)兩者問的電氣連接。表1給出了單片機AT89S52與nRF2401模塊的通信接口描述。圖3給出單片機AT89S52通過光電隔離4N35與nRF2401的對應端口相連的電路原理圖。

2．3 波特率的設置
    在接口電路設計完成后。要使單片機與nRF2401之間實現(xiàn)通信，還要考慮單片機的傳輸率，此處選擇單片機的波特率為9 600 b／s。根據(jù)波特率計算公式：

式中，波特率控制位SMOD置O，定時器時間常數(shù)X=253。
    由此可得晶振頻率fosc=11．0592MHz，則單片機選用11．0592MHz的晶體振蕩器。
2．4 電源
    該系統(tǒng)的電源部分由外部電源、集成穩(wěn)壓電路和部分外圍元件組成，這里選用集成穩(wěn)壓電路LMlll7為構成各元件提供供電電源。為了改善nRF2401的瞬態(tài)響應，在LMlll7外接2只電容，且在輸出端另加2只電容用于濾波，以改善輸出電壓波形。

3 軟件部分設計
    在單片機與PLC的通信中，主要利用單片機向PLC發(fā)送命令和接收返回數(shù)據(jù)，用于讀取數(shù)據(jù)或修改PLC程序中控制參數(shù)。通信協(xié)議選用莫迪康Modbus ASCII串行通訊協(xié)議。
    實現(xiàn)來自于RS-485通信接口基于Modbus ASCII串行通信協(xié)議的命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成滿足無線數(shù)據(jù)傳輸要求的通信格式，并傳送給其他通信終端，同時將現(xiàn)場采集的實時信號及狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換為滿足Modbus ASCII串行通信協(xié)議要求的格式，并傳送給RS-485通信接口。圖4為無線通信控制器發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程。圖5為無線通信控制器接收數(shù)據(jù)的程序流程。

    圖4中，在單片機與nRF2401通信端，單片機先向nRF2401寫入配置字，然后檢測CE是否為高，若CE為高電平，則檢測通道1的中斷DRl是否為高，DRl為高，則有中斷信號，使nRF2401進入發(fā)送狀態(tài)，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送完l位，系統(tǒng)檢查l幀數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，若未完成，則繼續(xù)發(fā)送，反之，結束該幀的發(fā)送程序。由此將獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送給另一通信終端設備。

4 試驗結果
    實驗室采用GFG8016G信號發(fā)生器與計算機進行模擬PLC數(shù)據(jù)無線傳輸，試驗結果表明，在9 m范圍內(nèi)，該無線通信控制器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

5 結論
    基于nRF2401的PLC無線通信控制器，可根據(jù)需求實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)傳輸；對于該無線傳輸研究，后續(xù)需從其傳輸中的抗干擾和擴展傳輸距離方面進一步研究。