串行通讯

文章11

运动器械需要使用矢量变频器进行精确控制

我们都熟悉串行通信；计算机上的USB连接使用串行通信来连接鼠标、键盘和内存条。虽然无线和蓝牙部分取代了实际的电缆，但原理仍然是一样的。

然而，当谈到变频器时，许多用户仍然喜欢简单的硬接线控制连接。这些在小型的安装应用中是很好的，并且很容易排除故障，但是在更复杂的安装应用中，串行通信有很大的意义，可以替换大量的电缆，并且可以从笔记本电脑上轻松设置。几乎所有的变频器都内置了串行通信作为标准，因此转移到串行通信通常不会产生额外的费用。

它们是什么？它们是如何工作的？好吧，最简单的，串行通信包括发送一串数字脉冲——1和0，变频器将解释它们，对它们采取行动，并可能发回一个信号。为了实现这一点，我们需要定义硬件，例如1或0是多少伏特。然后，我们需要决定一个协议，以确定谁发送什么以及何时发送，否则这些信号将全部混淆。我们还需要决定如何构造我们的信号，以便它到达正确的位置，并进行某种形式的检查。最后，我们需要定义1和0的含义。

定义硬件非常简单。我们可以使用无线或光纤电缆，但对于低水平的工业应用，我们通常使用RS485定义的简单电缆和信号，RS485是为工业中的噪声环境下应用而设计的成熟标准。图1显示了两条电缆中的信号相对于0V，如何以相反的方式相互切换的。

图1 RS 485 基础功能

这提供了很高的抗噪性，但必须确保整个系统中的接地是相同的，比如通过把两根信号线，装入双端接地的屏蔽层，然后再来连接不同的点或可寻址位置（节点）。

现在我们需要决定信号协议。一种方法是定义主从系统。主机总是开始一段“对话”；从机只有在和主机对话时才回答。这个系统很容易理解，并且允许向所有从机广播消息，前提是它们不回复“广播”消息。许多工业通讯都使用这个系统。主从系统的一种变化是令牌系统；拥有令牌的人就是主系统，但它可以被传递。这些系统可以避免信号冲突从而导致损坏。

但是，对于以太网类型的传输（在internet上使用的系统），允许冲突。基本上，系统上的任何东西都可以尝试发送信号；如果发生冲突，则停止发送，然后重试。如果网络上的现有信号已损坏，则会再次发送该信号。以太网已经被优化为非常快速的操作，并使用许多不同的媒体，如光纤，无线，当然还有熟悉的以太网电缆。互联网基本上就是利用这一原理扩展到万维网的。以太网系统在工业中越来越流行，因为它随着计算机的广泛应用而发展了技术，降低了价格。但是，每个节点都需要一个路由器来检测和控制冲突。

虽然速度很快，但时间并不是以太网的决定因素。也就是说，你总得需要或短或长的时间来抓住总线并发送信号，而在主从系统中，主机在时间上有完美的控制；尤其是在控制复杂的机器时，这一点很重要。以太网系统在此方面还有很多工作要做。

Canbus系统（一个为车内使用而开发的系统，现在在工业上也很流行）允许信号具有优先顺序；虽然你抓住了总线，但是一个更高优先级的信号会接管你。控制制动系统时非常重要。

因此，不管怎样，我们都有一个协议，它允许信号在不被破坏的情况下传播——或者，如果它们被破坏了，就像在以太网中一样，那么它就被挑选出来了。我们现在需要准确地定义我们的信号意味着什么。当然，如果我们想的话，我们可以自己制造串行通信系统，但是如果我们采用现有的串行通信系统，就很容易找到硬件和软件来帮助我们。不久前，一些使用自己串行通信的公司决定，定义信号的结构然后向所有人发布这些定义，从而鼓励人们使用它们，因为这符合他们的利益。这些系统被称为开放式或现场总线系统，通常由一个正式的文件定义，如欧洲标准。例如Profibus、Canbus、Devicenet、Bacnet和Modbus；大多数这些现场总线系统现在也有以太网的变形。

大多数现场总线系统从定义硬件开始，通常是RS485，但越来越多的是使用以太网电缆的系统或着光纤。然后他们定义了协议——通常是主从协议，但对于以太网，冲突系统具有确定时间的定义区域。最后，它们定义了一个报文结构——一个承载信息的数据块。

让我们看几个例子。Modbus是一种通用的现场总线系统，它使用RS485硬件和主从系统。图2显示了基本的报文结构。

图2 Modbus 报文格式

在报文的开头和结尾有一个空格，然后信号的前8位定义了目的地地址——只有8位，所以系统上只有有限数量的节点。然后是一个函数代码；在最简单的形式中，这是一个代码，比如“03”表示读，“06”表示写。然后是数据；这可能是一个参数值，一个设定点，或者别的什么。最后，有一个校验，以确保整个报文没有被破坏。

Modbus的工作方式是，主设备将向从设备写入请求读取或写入的数据，而从设备将按照指示返回信息或写入数据。这些读或写操作是使用主机或从机中的寄存器块来执行的。主机或从机将这些寄存器中的数据解释为参数值、测量值（如输出频率、负载电流）等。

以太网报文是一种更复杂的结构，如图3所示，但具有相同的基本信息。

图3 以太网报文格式

现在我们有了一个源和目标MAC地址（世界上每台机器都是唯一的！）定义信号类型的两个字，然后是数据包和有效数据。最后是一个校验，以确保信号正常。凭借以太网的速度我们可以传输大量的数据，但是以太网的一个缺点是每个节点都需要一个路由器。工业以太网系统定义了标准信号区域之间的短时间“通道”，可用于关键的时间相关控制。这使得Modbus TCP和Profinet等现场总线衍生产品在工业环境中使用以太网具有极大的优势。

基于现场总线的串行通信系统在整个工业中相当普遍。诸如Modbus、Canbus和Profibus等成熟系统的年增长率仍保持在7%左右，但工业以太网的增长速度更快，通常为20%。