可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（DCS）用于監測和控制工業自動化應用中的智能（支持 HART）和模擬現場儀表。

圖 1 所示的電路是一個簡單的 DCS 系統，由一個主機和一個節點組成，其中有兩個 4 通道隔離模擬輸入板和兩個 4 通道隔離模擬輸出板，由一個 Arduino 形狀因子基板本地控制。RS-485 收發器與 PC 機或其他主機接口，用戶可從中使用 Modbus 協議與節點交換數據。

圖 1. PLC（或單節點 DCS）Modbus 系統功能框圖

模擬輸入數據在本地讀取，并通過使用行業標準 Modbus 協議的串行接口提供，確保數據完整性和與一系列軟件應用程序和庫的兼容性。類似地，通過寫入 Modbus 寄存器來設置模擬輸出，然后將其轉換為模擬電壓或電流信號。

每個節點最多可以有四個模擬輸入和輸出板的任意組合。如圖 2 所示，可以使用提供的硬件和軟件基礎設施設計多達 16 個節點的多節點系統。該電路支持點對點 HART 通信，可擴展到多點 HART 網絡，由同一通道上的多個 HART 設備組成。

圖 2. 多節點 DCS-Modbus 系統功能框圖

模擬輸入和模擬輸出均為每板電隔離（四組），模擬輸入具有開路檢測功能，簡化了故障檢測和診斷。這些特性增強了在苛刻的工業自動化環境中工作時的健壯性。

電路說明

該應用程序著重于演示由 Modbus 主機控制的 PLC/DCS 系統的開發，并舉例說明如何使用關鍵組件的最新功能。單節點系統通常稱為 PLC，而較大的系統通常稱為 DCS。

每個節點可以控制多達 16 個模擬現場設備、傳感器或執行器，可以與 HART 兼容，也可以僅與模擬設備兼容，并且系統可以擴展到包括多達 16 個單獨節點。該系統還可用于一般用途的精密模擬數據采集應用，如儀表、模擬數據記錄或測試和測量。

PLC/DCS 技術

支持多個連接技術。在單節點（PLC 或單節點 DCS）系統中，主機可以通過微型 USB 電纜直接連接到 EVAL-ADICUP3029 平臺板上的 USB 串行端口，適用于主機和節點之間距離小于 2 米的實驗室測試和測量應用。

在這種點對點的技術結構中，每個電路板有四組模擬輸入和輸出仍然與主機隔離。雖然通常與實驗室設備無關，但 Modbus 協議為與節點通信提供了一種方便和標準的方法。哈特連接允許配置智能傳感器和執行器。

當主機和節點之間的距離超過 2 米時，信號完整性、噪聲拾取和電氣故障成為更大的問題。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ 提供到主機的可靠 RS-485 連接。在單節點中，點對點系統支持全雙工或半雙工通信，根據波特率的不同，距離可達 1km

對于多節點（更好地描述為 DCS），EVAL-CN0416-ARDZ 包括菊花鏈端口、可切換半 / 全雙工操作和可切換終端，允許組裝 2 到 16 個節點之間的系統。

由于 Modbus 被用作串行通信協議，通過串行鏈路在設備之間傳輸信息，因此無論規模大小，都可以獲得簡單、可靠和健壯的系統。PLC/DCS 應用硬件棧由三種不同的參考設計組成。

模擬輸入板

圖 3 所示的 CN-0414 用于測量四個全差分或八個單端電壓和四個電流信號。該電路的核心是一個低功耗、低噪聲的 24 位∑-Δ模數轉換器（ADC），集成了±10 V 和 20 毫安的模擬前端。

電壓輸入支持高達±10 V 的輸入范圍。AD4111 具有一個獨特的功能，當在 5 V 或 3.3 V 單電源上工作時，可以在±10 V 電壓輸入上進行開路檢測，而以前的解決方案通常需要大于±10 V 的電源。

電流輸入支持 0 至 24 毫安的輸入范圍。電路的輸入阻抗為 250Ω（AD4111 內部為 60Ω），所有輸入均參考隔離接地。電流輸入端的 250Ω輸入阻抗是使 AD5700-1 HART 兼容調制解調器與 AD4111 一起工作所必需的。

電路的模擬前端 AD4111 和 AD5700-1 通過 ADuM5411 和 ADum315 與處理側隔離，與基于離散變壓器的解決方案相比，節省了大量空間。

CN-0414 板由 9.5 V 至 36 V 直流電源供電，這是典型的工業自動化系統，因此很容易改裝到您的系統中。

Figure 3. Analog Input Board

模擬輸出板

圖 4 所示的 CN-0418 是基于 AD5755-1 DAC 的四通道電壓和電流輸出板，具有動態功率控制。

該電路提供 4 毫安至 20 毫安的電流輸出，以及單極或雙極電壓輸出（±10 伏）。該板還包括 AD5700-1 哈特調制解調器，以提供完整的模擬輸出解決方案與哈特連接。外部瞬態保護電路也包括在內，這對位于惡劣工業環境中的應用非常重要。

電流和電壓輸出在單獨的管腳上可用，但一次只有一個管腳處于活動狀態，因此允許兩個輸出管腳連接在一起并連接到一個端子。模擬輸出短路，開路保護。

AD5755-1 包含使用 dc-dc 升壓變換器電路的集成動態功率控制，允許在電流輸出模式下降低功耗。

AD5755-1 有四個圖表管腳，對應于四個輸出通道中的每一個。HART 信號可以耦合到這些管腳中，如果該輸出被啟用，則會出現在相應的輸出上。

RS-485 收發器板

圖 5 所示的 CN-0416 是一個隔離和非隔離的 RS-485 收發器板，它允許在多個系統或節點之間輕松實現數據傳輸，特別是遠距離傳輸。

電路使用 ADM2682E RS-485 收發器進行隔離通信，LTC2865 用于非隔離 RS-485 通信。兩者都可以配置為全雙工或半雙工操作，以及開放或終止傳輸線。

該電路具有板載 RJ-45 插孔，允許使用普通的 5 類以太網電纜進行節點的快速物理布線。終端電阻默認設置為 CAT5 電纜特性阻抗 100Ω，但可以配置為支持標準 RS-485 電纜阻抗 120Ω。

ADM2682E 的數據速率高達 16Mbps，并具有真正的故障保護接收器輸入和調整的差分電壓閾值。它使用 iCoupler 數據通道提供 5 千伏信號隔離，使用等功率集成 dc-dc 轉換器提供 5 千伏電源隔離。

LTC2865 的數據速率可達 20 Mbps，并具有完全故障保護接收器輸入。內部窗口比較器在不需要調整差分輸入電壓閾值的情況下確定故障安全條件。

圖 5. RS-485 收發器板

HART-Compatible Field 的現場設備布線

圖 6. HART-Compatible 的現場設備布線

HART 網絡

HART 設備可以在點對點或多點兩種網絡配置中運行。

在點對點模式下，4 毫安至 20 毫安的信號用于傳送一個過程變量，而附加的過程變量、配置參數和其他設備數據則使用 HART 協議進行數字傳輸。4 毫安至 20 毫安模擬信號不受哈特信號影響，可用于控制。HART 協議允許訪問可用于操作、調試、維護和診斷目的的二次變量和其他數據。

Modbus 協議

運行在 EVAL-ADICUP3029 上的軟件實現了 Modbus 協議，這是一個事實上的、開放的工業通信標準。Modbus 提供了一種與單個節點交換數據的健壯方法，CRC 錯誤檢測確保了數據的完整性。作為一個開放的標準，有許多開源和商用 Modbus 軟件庫可供使用，目標是各種平臺（如 Windows？、Linux？、嵌入式平臺等）。

該軟件還提供了一個簡單的命令行界面（CLI）模式，允許從串行終端手動驗證系統，而不需要在主機上安裝任何其他軟件。

硬件和軟件堆棧

PLC/DCS 節點系統軟硬件堆棧如圖 7 所示。

圖 7. PLC/DCS 節點系統軟硬件堆棧

配置完 PLC/DCS 硬件后，用戶通常會根據語言（如 C、Python、MATLAB）和主機平臺（如 Linux、Windows、embedded）選擇合適的 Modbus 庫。然后必須編寫一個簡單的測試應用程序，將模擬和 HART 參數轉換為 Modbus 寄存器地址和值

CN-0435 用戶指南提供了此應用程序的 Modbus 寄存器映射的完整描述，并使用開源 Modbus 調試器驗證了 Modbus 的符合性

還提供了幾個頂級應用程序示例，這些應用程序構建在開源 Modbus 庫上，包括以下內容： 檢測系統配置：查詢所有 Modbus 節點并顯示配置。

讀或寫輸出保持寄存器：檢查或改變所有檢測板上輸出保持寄存器的狀態。

讀取模擬輸入寄存器：檢查所有檢測板上輸入寄存器的狀態。

讀取模擬數據：讀取單個模擬輸入或所有模擬輸入，并將數據顯示到控制臺。

寫入模擬數據：寫入模擬輸出以產生電壓或電流。

模擬回波：從模擬輸入板讀取模擬電壓或電流，并將相同的模擬電壓或電流寫入模擬輸出板。

常見變化

CN-0435 軟件讀取模擬輸入值并寫入模擬輸出值，無需本地處理。該軟件可以擴展到包括故障監測和響應或閉環 PID 控制回路等功能，將這些功能從主機上卸載，并在通信總線上節省帶寬。

覆盆子皮可以作為一個緊湊和低成本的主機解決方案。Raspberry Pi 提供有線或無線以太網連接，它可以直接連接到 EVAL-ADICUP3029 的 USB-UART。

目前使用的三種最常見的 Modbus 版本是 Modbus ASCII、Modbus RTU 和 Modbus TCP。所有 Modbus 消息都以相同的格式發送。三種 Modbus 類型之間的唯一區別在于如何對消息進行編碼。

可以通過 Modbus 連接的設備數量取決于物理層和數據協議。如果 RS-485 物理層與 Modbus RTU 或 Modbus ASCII 數據協議一起使用，則可以尋址的最大節點數為 32，而如果以太網物理層與 Modbus TCP 數據協議一起使用，則可以尋址 247 個節點。

設備地址是一個從 0 到 247 的數字。發送到地址 0（廣播消息）的消息可以被所有從機接受，但從 1 到 247 的數字是特定設備的地址。

CN-0414 和 CN-0418 的 Arduino 外形確保了與支持多種其他自動化通信協議的開發平臺的兼容性，這些協議包括過程現場網（PROFINET）、過程現場總線（PROFIBUS）、控制自動化技術以太網（EtherCAT）、以太網 /IP、Modbus Plus 等。

電路評估與測試

概述開始參考演示所需的必要設備和一般步驟。可以使用軟件的 CLI 選項組裝和測試 DCS 系統的基本功能。

所需設備

The following equipment is needed:

PC with a USB port and Windows 7 (32-bit) or higher

Serial terminal program such as TeraTerm or Putty

One or more EVAL-CN0414-ARDZ circuit evaluation board and/or EVAL-CN0418-ARDZ circuit evaluation board for every node

One or more EVAL-CN0416-ARDZ circuit evaluation board for the Modbus interface and another EVAL-CN0416-ARDZ board for every node

One ADALM-UARTJTAG evaluation board with an additional EVAL-CN0416-ARDZ board (or other halfduplex RS-485 adapter)

One EVAL-ADICUP3029 evaluation board for each node

Micro USB cable

One RJ-45 cable for the RS-485 interface and another for every node

PLC system software or pre-built hex file

A 24 V DC at 1 A power supply

入門

以下是設置的基本步驟：

1. 將 EVAL-ADICUP3029 的 USB 電纜插入 PC，并將固件閃存到每個使用過的板上。

2．配置硬件。遵循分布式控制系統（DCS）演示 Wiki 用戶指南。確保每個板上的跳線和開關設置正確。可選地，對于模擬輸入板，分別連接傳感器或信號源，對于模擬輸出板，連接執行器或萬用表。

3. 對于每個節點，按以下順序將平臺和屏蔽板堆疊在一起：

EVAL-CN0416-ARDZ (top)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-ADICUP3029 (bottom)

4. 在節點和 RS-485 適配器（可能是 ADALM-UARTJTAG 和 EVAL-CN0416-ARDZ）之間連接 RJ-45 電纜。

5．將 RS-485 適配器連接到主機。

6. 按下 3029_ 重置按鈕或關閉系統電源。

Figure 9. DCS Analog I/O System

編輯：hfy