基于Modbus与ZigBee的远程冗余过程控制系统开发

摘要

目前，天然气监控系统几乎都是PLC控制系统，这种系统由于现场设备到控制器是一对一的连接，因此系统具有成本高、布线繁琐、线路调试检修麻烦等缺点。因此，本文设计了一种集中管理天然气监控现场设备数据，并通过通信冗余来提高系统可靠性的远程控制系统模块。
　　本系统包含两组模块，一组是冗余通信终端模块，另一组是Modbus与ZigBee通信冗余网关模块。系统设计的电源模块、通信模块、信号输入输出模块都具有一定的隔离、防雷击保护等级，并且具有电池备用功能。选用ARM公司STM32F10系列芯片作为微处理控制器以及TI公司CC2530芯片作为无线通信控制器，裁剪移植了uC/OS-Ⅱ实时操作系统以及Modbus协议栈，采用IAR7.60A与Keil uVision4分别作为开发ZigBee与Modbus的编译环境软件。本文详细介绍了系统硬件、软件设计，硬件设计包括电路图的设计、原理图的设计、电器元件的选型、PCB的制作等流程;软件设计包括Modbus与ZigBee协议栈的原理应用及移植、uC/OS-Ⅱ实时操作系统介绍及移植、终端模块的软件设计、ZigBee远程通信软件设计、网关模块的软件设计等内容。最后，利用Modbus协议调试助手ModScan32测试验证了系统模块的功能。
　　本系统具有以下特点:可满足天然气监控系统的基本需求，即对数字量及模拟量的操作;通过ZigBee无线通信的冗余，提高了系统的可靠性;与PLC控制系统相比，可大大降低成本。系统的终端模块支持Modbus协议和ZigBee协议的冗余通信，而网关模块则可以实现这两种协议之间的切换管理，这对有线与无线冗余通信的研究具有一定的价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及安排

第2章 系统总体设计及关键技术

2．1 系统总体设计

2．1．1 系统概述

2．1．2 可行性分析

2．1．3 系统设计目标

2．1．4 总体设计

2．2 关键技术介绍

2．2．1 Modbus协议

2．2．2 ZigBee协议

2．2．3 uC／OS-Ⅱ操作系统

2．3 本章小结

第3章 系统硬件设计

3．1 系统硬件总体设计

3．2 主要IC介绍

3．3 下层板设计

3．3．1 24V电源转5V电路设计

3．3．2 电池备用与稳压电路设计

3．3．3 电源防雷击电路设计

3．3．4 通信防雷击电路设计

3．3．5 ADM2587E电路设计

3．3．6 下层板与中层板接口设计

3．3．7 下层板实物图

3．4 终端中层板设计

3．4．1 MCU模块设计

3．4．2 DO模块设计

3．4．3 DI模块设计

3．4．4 AO模块设计

3．4．5 AI模块设计

3．4．6 终端中层板实物图

3．5 上层板设计

3．5．1 上层板外围电路设计

3．5．2 上层板实物图

3．6 网关中层板设计

3．6．1 F103RCT6外围电路设计

3．6．2 网关中层板通信防雷击电路设计

3．6．3 网关中层板与下层板接口电路设计

3．6．4 网关中层板实物图

3．7 本章小结

第4章 系统软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 ZigBee无线通信软件设计

4．2．1 Z-Stack协议栈

4．2．2 ZigBee终端节点软件设计

4．2．3 ZigBee协调器软件设计

4．3 Modbus通信软件设计

4．3．1 uC／OS-Ⅱ移植

4．3．2 FreeModbus协议栈

4．3．3 FreeModbus移植uC／OS-Ⅱ

4．3．4 终端中层板uC／OS-Ⅱ软件设计

4．3．5 终端中层板各任务软件设计

4．3．6 网关模块软件设计

4．4 总结

第5章 系统测试

5．1 硬件测试

5．2 系统测试

5．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录