Введение
Компания KELLER производит высокоточные датчики с цифровым выходом, которые подключаются к фирменному программному обеспечению для отображения и накопления показаний. Зачастую, пользователю необходимо интегрировать датчики в собственные системы мониторинга и управления. В этой работе на примере высокоточного датчика давления PR-33X показано подключение датчиков KELLER к интегрированной среде MATLAB, первоначально разработанной для анализа и синтеза систем управления, имеющей мощные средства обработки и отображения сигнальных данных.
Краткая спецификация преобразователя давления KELLER PR 33X
Стандартный диапазон давлений (ВПИ), бар 30
Точность измерения давления, суммарная (10…40 °C) 0,025 % ВПИ
Выходной сигнал RS 485
Скорость передачи данных 9600 или 115200 бод
Напряжение питания (U) 8…28 V
Срок службы 10 млн. циклов 0…100 %ВПИ
Преобразователь давления содержит и встроенный датчик температуры.
Интерфейс
Все продукты компании KELLER с индексом X имеют цифровой интерфейс (RS485 полудуплекс), который поддерживает протоколы MODBUS RTU и Keller Bus.
Подключение к ПК осуществляется посредством RS485-USB конвертера. Для обеспечения наилучшей совместимости, компания рекомендует использовать конвертер K-114 от Keller.
Программное обеспечение
Для настройки и записи показаний датчика используется бесплатное ПО CCS30, интерфейс которого показан на Рисунок 1.
Рисунок 1. Накопление и отображение графических и табличных данных программой CCS30 [3].
Подключение к ПК
Подключение датчика давления PR-33X к ПК выполнено с использованием преобразователя USB в RS-232/422/485 MOXA USB Serial Port по схеме Рисунок 2.
Рисунок 2. Схема подключения преобразователя давления PR-33X к ПК и источнику питания 12 В. При питании ниже 5,69 В (до 4.95В) показания датчика растут. При питании ниже 4.95В данные не передаются (датчик не работает).
После установки драйвера и присоединении преобразователя МОХА к ПК в списке диспетчера устройств появляются СОМ порт
и адаптер 
. В закладке (Рисунок 3) последнего устройства для нашего варианта выбран интерфейс RS-485 с двухпроводной схемой подключения.
Рисунок 3. Настройка преобразователя MOXA на интерфейс RS-485 2W.
Форматы передаваемых данных
Обмен данными между компьютером (управляющее устройство) и датчиком (подчиненное устройство) осуществляется по протоколу Modbus сообщениями, содержащими следующие поля [2].
Сначала компьютер посылает запрос-сообщение датчику, затем датчик в ответ высылает собственное сообщение с собственной контрольной суммой при успешном выполнении запрашиваемого действия или высылает функцию с кодом 1 при возникновении ошибки (недопустимая функция или адрес данных и др.).
Ответ (отклик) датчика выдается только после получения им запроса управляющего устройства.
Передаваемое датчику сообщение содержит один из следующих кодов функций.
Рисунок 4. Формат передаваемых и принимаемых сообщений по стандарту Modbus RTU [1].
Адреса используемых регистров датчика PR-33X
Примеры сообщений Modbus (чтение показаний встроенного датчика давления и температуры) [2]
Преобразование показаний датчика в формат с плавающей точкой IEEE754
Рекомендуемый порядок перевода четырех принятых байт показаний датчика в число в формате с плавающей точкой показан на Рисунок 5. В примере используются данные [2] приведенные в таблице выше.
Рисунок 5. Правила перевода четырехбайтных показаний датчика в число с плавающей точкой.
Программа MATLAB чтения и отображения показаний датчиков давления и температуры преобразователя PR-33X
Программа чтения и отображения показаний датчика PR-33X включает основной модуль и три подпрограммы. Преобразователь работает на частоте 115200 бод. Данные давления и температуры считываются по собственным запросам.
Входными данными программы являются адрес СОМ порта вашего устройства (переменная Com_Port =) и адрес вашего преобразователя. Если подключен только один преобразователь то, как правило, Device_Addr = 1.
Количество считываемых показаний задается константой Loop (в примере Loop = 1000;).
Основной модуль:
clear all; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Input data %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Com_Port = 'COM9'; Device_Addr = 1; % Address of Sensor, 8 bit: 1..255 Function = 3; % 3 or 4 is read; Pr_Rg_Addr = 2; % First address of two pressure data registers (4 bytes) Temp_Rg_Addr = 8; % First address of two temperature data registers Address_Range = 2; % Range of data address %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % End of Input data %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Make COM port connection s=serial(Com_Port,'Baudrate',115200); % 9600 115200 fopen (s); pause(0.1); Loop = 1000; pr(1:Loop) = 0; temp(1:Loop) = 0; for i = 1:Loop %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Read pressure %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Pr_Rg_Addr,Address_Range); fwrite(s, RTU_request); %pause(0.01); % >=0.001s for PR-33X, for 115200 Baudrate while ~(get(s,'BytesAvailable')>8) end BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); Rx = fread(s,BytesAvailable)'; pr(i) = sensorOUT_to_float(Rx); % in bar %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Read temperature %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Temp_Rg_Addr,Address_Range); fwrite(s, RTU_request); while ~(get(s,'BytesAvailable')>8) end BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); % if BytesAvailable > 0 Rx = fread(s,BytesAvailable)'; temp(i) = sensorOUT_to_float(Rx); % in bar end % Close COM port fclose (s); delete (s); figure (3) clf('reset'); % Clear current figure window [AX,H1,H2] = plotyy (1:length(pr),pr,1:length(temp),temp); hold(AX(1)); hold(AX(2)); set(H1,'LineWidth',2); grid(AX(2),'on'); xlabel('Sampling, num'); % Y1_max = max(get(AX(1),'ytick')); % set(AX(1),'ytick',[0:Y1_max/10:Y1_max]); % set(AX(2),'ytick',[0:0.2:2]); set(get(AX(1),'Ylabel'),'String','Давление, бар'); set(get(AX(2),'Ylabel'),'String','Температура, град. С'); title(sprintf('Изменение давления и температуры')); % End of m file
Подпрограмма формирования Modbus RTU запроса
function RTU_request = RTU_code(Device_Addr,Function,Data_First_Address,Address_Range) % Device_Addr == Device Address 8 bit: 1..255 % Function == % 3 or 4 is read; 6 is write in one register; 16 - write in two registers, % Data_First_Address == Address of first register data (2 bytes) % Addrress_Range == Range of Addreses; % Data_First_Address_Bytes = [floor(Data_First_Address/256) rem(Data_First_Address,256)]; Address_Range_Bytes = [floor(Address_Range/256) rem(Address_Range,256)]; % Master's Tx data without Check sum Code = [Device_Addr Function Data_First_Address_Bytes Address_Range_Bytes]; Code_Char = dec2hex(Code); if size(Code_Char,2)==1 Code_Char(:,2)=Code_Char(:,1); Code_Char(:,1)='0'; end Code_Char_line = []; for I = 1:length(Code) Code_Char_line = [Code_Char_line Code_Char(I,1:2)]; end % Check sum calculation Check_Sum = crc_calculator(Code_Char_line); % Master's Tx data with Check sum RTU_request = [Code hex2dec(Check_Sum(1:2)) hex2dec(Check_Sum(3:4))]; % End of m file
Подпрограмма вычисления контрольной суммы Modbus RTU последовательности
function output_hex_string = crc_calculator (Input_hex); %Input_hex = 'F70302640008'; % <= 2 * 16 Char F = [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]; xor_constant = [1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]; for i = 1 : length (Input_hex) / 2; A = [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]; if ~(i > length (Input_hex)/2) A_hex = Input_hex ((i-1)*2+1:i*2); % Two HEX bytes A_bin = dec2bin (hex2dec (A_hex)); length_A_bin = length (A_bin); for j = 0 : length_A_bin - 1 A (16 - j) = str2num(A_bin (length_A_bin - j)); end end F = xor (F,A); for ii = 1 : 8 if F(16) ==1 if xor_constant (1) == 0 F_shift (1) = 0; else F_shift (1) = 1; end for j = 2 : 16; if xor_constant (j) == F (j-1); F_shift (j) = 0; else F_shift (j) = 1; end end else F_shift = circshift(F',1)'; end F = F_shift; end end h = num2str(F); h = h(1:3:length(h)); output_hex_string = num2str([dec2hex(bin2dec(h(9:12))) dec2hex(bin2dec(h(13:16))) dec2hex(bin2dec(h(1:4))) dec2hex(bin2dec(h(5:8)))]); % End of m file
Подпрограмма перевода четырех байт показаний датчика в число с плавающей точкой
% Transmission Sensor’s output bytes to float value function val = sensorOUT_to_float(Rx) B(1) = Rx(4); B(2) = Rx(5); B(3) = Rx(6); B(4) = Rx(7); %1 bit of sign + 8 bits of exponent + 23 bits of mantis ( = 32 bits or 4x8 bytes) v_res = []; for i = 1:4 v_bit = dec2bin(B(i)); if length(v_bit)<8 % add zeros to get 8 bits for j = 1:(8-length(v_bit)) v_bit = ['0' v_bit]; end end v_res = [v_res v_bit]; end % Checking % v_res = ['0' '10000010' '01010010000001011011110'] == 10.5631999969482421875 бар s_mnt = bin2dec(v_res(1)); %sign of mantis E = bin2dec(v_res(2:9)); %exponent M = bin2dec(v_res(10:32)); % mantis if s_mnt==0 val = (1+M/8388608)*2^(E-127); % 8388608 = 2^23 else val = -(1+M/8388608)*2^(E-127); end % End of m file
Примеры графического отображения давления и температуры преобразователя PR-33X, считываемые вышеприведенной программой, показаны на Рисунок 6.
Рисунок 6. Выходные данные преобразователя PR-33X полученные программой, разработанной в MATLAB. Программа считывает 1000 показаний давления на скорости 115200 бод за 9 секунд. Программа считывает 1000 показаний давления и 1000 показаний температуры (отдельно) на скорости 115200 бод за 17 секунд.
Программа MATLAB переключения скорости передачи данных преобразователя
Для перехода на новую частоту необходимо в программе установить адрес СОМ порта вашего устройства (переменная Com_Port =) и требуемую частоту преобразователя (BR_Rate = 9600; или BR_Rate = 115200;)
ВНИМАНИЕ. Для перехода на новую частоту передачи данных после установки нулевого бита регистра преобразователя UART необходимо ВЫКЛЮЧИТЬ (обесточить) и, затем, снова ВКЛЮЧИТЬ преобразователь.
% ПЕРЕХОД НА НОВУ СКОРОСТЬ ОБМЕНА (9600 ИЛИ 115200 БОД) ВЫПОЛНЯЕТСЯ ПОСЛЕ УСТАНОВКИ UART РЕГИСТРА И ВЫКЛЮЧЕНИЯ-ВКЛЮЧЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ clear all; % Input data Com_Port = 'COM9'; BR_Rate = 115200; % 9600 or 115200 % End of Input data % Device_Addr = 1; % Address of Sensor, 8 bit: 1..255 % Function = 6; % Write; % UART_Rg_Addr = 512; % First address of UART Rg (2 bytes) % Data = 0 0; % Rate 9600 bod % Data = 0 1; % Rate 115200 bod % RTU_request = [Device_Addr Function UART_Rg_Addr Data Check_sum] % RTU_request = [ 1 6 2 0 0 0 136 114]; % 9600 bod request in hex % RTU_request = [ 1 6 2 0 0 1 73 178]; % 115200 bod request in hex if BR_Rate == 9600 % 115200 s=serial(Com_Port,'Baudrate',115200); fopen (s); pause(0.1); RTU_request =[ 1 6 2 0 0 0 136 114]; else s=serial(Com_Port,'Baudrate',9600); fopen (s); pause(0.1); RTU_request = [ 1 6 2 0 0 1 73 178]; end fwrite(s, RTU_request); pause(0.004); % >=0.001s for PR-33X, for 115200 Baudrate BytesAvailable = get(s,'BytesAvailable'); if BytesAvailable > 0 Rx = fread(s,BytesAvailable)' end % close COM port fclose (s); delete (s); % End of m file
Библиографический список
- Dr. Bob Davidov. Связь с устройствами промышленных сетей. portalnp.ru/wp-content/uploads/2013/08/12.02_Discrete-IO-unit_-MK110-_RS-485-ModBus-RTU-_-ASCII-DCON-OVEN__Ed3.pdf
- Описание коммуникационных протоколов. Для преобразователей давления KELLER 30-й и 40-й серий. Класс.Группа = 5.20 Класс.Группа = 5.21. Версия 3.2 (на русском). www.izmerkon.ru.
- Control Center Series 30. Руководство пользователя. Für CCS30 Version 1.1. www.izmerkon.ru
- Dr. Bob Davidov. Компьютерные технологии управления в технических системах portalnp.ru/author/bobdavidov
