Стенд эмуляции множества датчиков Modbus

Разрабатывая оборудование, которое используется для работы с датчиками по протоколам Modbus TCP\RTU, мы получаем много вопросов по скоростям опроса и шлюзования, по количеству датчиков в цепочке и так далее.

Для ответа на вопросы и проверке теорий мы сделали собственный Modbus стенд на 30 "датчиков".

Датчиками у нас выступают микроконтроллеры Wemos D1 mini (на основе MK ESP8266), интерфейсом опроса - RS485. Датчики собраны на принципиальных платах по 10шт на плате. Сейчас у нас в работе 3 платы по 10 датчиков.

Общий вид и функционал стенда

Wemos D1 mini ("Датчик") + UART-RS485 x 10шт, 3 платы.
Каждый "Датчик" имеет свой уникальный Modbus address от 1 до 30.
Платы соединяются по RS485 интерфейсу, что обеспечивает все датчики на всех платах в одной линии.
Питание плат: 5В DC

Компоненты стенда

Wemos D1 mini

программируется из сети Arduino
есть библиотеки Modbus
доступный и мощный
позволяет делать платы расширения
прошивается через встроенный USB порт

Плата расширения

Мы сделали простейшую плату расширения с мигающим диодом в режиме настройки и "моргающим" при modbus запросах.

Pinout Wemos D1

D7,D8 - RX\TX Преобразователя UART-RS485 D1 - управление питанием преобразователя

Плата расширения

D6 - светодиод помигивающий при приеме данных D3 - кнопка (не используется) D4 - светодиод повторяющий поведение встроенного

tip

Питание стенда: +5В.

Потребление каждого "датчика" 100-200мА. При 30 датчиках понадобиться источник 5В\6A или более мощный.

Принципиальная схема стенда

Скачать в формате pdf

Логика работы стенда

Каждый Wemos прошивается написанной нами простенькой прошивкой из среды Arduino.
Получившийся "Датчик" на Modbus запрос "отдает" 4 регистра INT32:
1. Адрес датчика
2. Часы с включения
3. Минуты с включения
4. Секунды с включения
При старте датчик ждет ввода через USB свой новый адрес и записывает его в постоянную память. При рестарте датчик будет "знать" свой адрес, прочитав его из постоянной памяти (EPROM).

Опрос стенда

Для опроса стенда, необходимо подключиться к стенду по RS485 интерфейсу. Это можно сделать с обычного компьютера (ноутбука) через преобразователь USB-RS485 или через компьютер с встроенным RS485-м интерфейсом.

Мы для опроса стенда (1) используем Сборщик компакт (2)

tip

Параметры RS485 стенда: 115200\8E1

Пример опроса

Единичный опрос. Почитаем регистры Датчика 1 и Датчика 2

root@napi-rk3308b-s:~# modpoll -m rtu -b 115200 -a 1 -r 1 -c 4 -1 /dev/ttyS3
modpoll 3.10 - FieldTalk(tm) Modbus(R) Master Simulator
Copyright (c) 2002-2021 proconX Pty Ltd
Visit https://www.modbusdriver.com for Modbus libraries and tools.

Protocol configuration: Modbus RTU, FC3
Slave configuration...: address = 1, start reference = 1, count = 4
Communication.........: /dev/ttyS3, 115200, 8, 1, even, t/o 1.00 s, poll rate 1000 ms
Data type.............: 16-bit register, output (holding) register table

-- Polling slave...
[1]: 1
[2]: 26
[3]: 21
[4]: 51
root@napi-rk3308b-s:~# modpoll -m rtu -b 115200 -a 2 -r 1 -c 4 -1 /dev/ttyS3
modpoll 3.10 - FieldTalk(tm) Modbus(R) Master Simulator
Copyright (c) 2002-2021 proconX Pty Ltd
Visit https://www.modbusdriver.com for Modbus libraries and tools.

Protocol configuration: Modbus RTU, FC3
Slave configuration...: address = 2, start reference = 1, count = 4
Communication.........: /dev/ttyS3, 115200, 8, 1, even, t/o 1.00 s, poll rate 1000 ms
Data type.............: 16-bit register, output (holding) register table

-- Polling slave...
[1]: 2
[2]: 26
[3]: 21
[4]: 53
root@napi-rk3308b-s:~# 

Тест всего стенда

Мы написали скрипт (на bash), который по очереди опрашивает все датчики.

#!/bin/bash

verbose=false
# Задержки для кругов 1 и 2 в сек
delay1=1
delay2=0.2
port="/dev/ttyS3"
speed=115200
first_address=1
registers_to_read=5
unlimited=false
sensors_amount=30
mode=rtu
tcp_address=127.0.0.1

echo "Modbus stand test"
echo "-m (rtu|tcp) -p <uart_port> -P <tcp_address> -v (verbose) -u (infinity circle)"
echo "default params: -m mtu -p /dev/ttyS3 -P 127.0.0.1"
echo "default opions: noverbose,one cycle"


while getopts ":u:D:m:P::p:v:" opt; do
  case $opt in
    u) unlimited=true ;;
    u) verbose=true ;;
    D) port=$OPTARG ;;
    m) mode=$OPTARG ;;
    P) tcp_address=$OPTARG ;;
    p) port=$OPTARG ;;
    \?) echo "Неверный параметр: -$OPTARG" >&2; exit 1 ;;
  esac
done


run_cycle(){
    echo "*********** READ MODBUS STAND ****************"
    # Начало цикла
    last_address=$((first_address+sensors_amount-1))
    for i in $(seq $first_address $last_address)
    do
        echo "Read sensor # $i"
        # Запуск modpoll с текущим значением $i в качестве параметра -a и анализ вывода с помощью awk
        start_time=$(date +%s%N)
	if [ "$mode" == "rtu" ]; then
		output=$(modpoll -m rtu -b $speed -r 1 -a $i -c $registers_to_read -1 $port 2>&1)
		if $verbose; then
			echo "$output"
		fi
	elif [ "$mode" == "tcp" ]; then
		output=$(modpoll -m tcp -r 1 -a $i -c $registers_to_read -1 $tcp_address 2>&1)
		if $verbose; then
			echo "$output"
		fi
	else	
		echo "Bad parameter: $mode -m <rtu|tcp>"
	fi
	end_time=$(date +%s%N)
	duration=$((end_time - start_time)) # Длительность в наносекундах
        duration_ms=$((duration / 1000000)) # Длительность в миллисекундах
        echo $output | awk '/\[1\]\:/ {print "Status:OK"; found=1}
        /time.+out/ {print "Status:Error"; found=1}
        END {if (!found) print "No data or unexpected response"}'
	echo "Duration of mbpoll command: ${duration_ms}ms"
        sleep $delay2

    done
    echo "************************************************"
}

if $unlimited; then
  echo "Universe mode"
  while true; do
    run_cycle
    sleep $delay1
  done
else
  run_cycle
fi

Сохраните этот скрипт на сборщик или другой компьютер под управлением Linux и запустите в файл modbustest5.sh

sh modbustest5.sh

tip

Если вы запускаете не под сборщиком, вам нужно установить программу mbpol

apt install mbpoll

И указать порт, к которому присоединили стенд через параметр -p

sh modbustest5.sh -p /dev/ttyUSB0

root@napi-rk3308b-s:~# sh modbustest5.sh 
Modbus stand test
-m (rtu|tcp) -p <uart_port> -P <tcp_address> -v (verbose) -u (infinity circle)
default params: -m mtu -p /dev/ttyS3 -P 127.0.0.1
default opions: noverbose,one cycle
*********** READ MODBUS STAND ****************
Read sensor # 1
Status:OK
Duration of mbpoll command: 38ms
Read sensor # 2
Status:OK
Duration of mbpoll command: 36ms
Read sensor # 3
Status:OK
Duration of mbpoll command: 32ms
Read sensor # 4
Status:OK
Duration of mbpoll command: 43ms
Read sensor # 5
Status:OK
Duration of mbpoll command: 37ms
Read sensor # 6
Status:OK
Duration of mbpoll command: 37ms
Read sensor # 7
Status:OK
Duration of mbpoll command: 38ms
Read sensor # 8
Status:OK
Duration of mbpoll command: 40ms
Read sensor # 9
Status:OK
Duration of mbpoll command: 32ms
Read sensor # 10
Status:OK
Duration of mbpoll command: 33ms
Read sensor # 11
Status:OK
Duration of mbpoll command: 42ms
Read sensor # 12
Status:OK
Duration of mbpoll command: 34ms
Read sensor # 13
Status:OK
Duration of mbpoll command: 37ms
Read sensor # 14
Status:OK
Duration of mbpoll command: 41ms
Read sensor # 15
Status:OK
Duration of mbpoll command: 32ms
Read sensor # 16
Status:OK
Duration of mbpoll command: 39ms
Read sensor # 17
Status:OK
Duration of mbpoll command: 44ms
Read sensor # 18
Status:OK
Duration of mbpoll command: 38ms
Read sensor # 19
Status:OK
Duration of mbpoll command: 38ms
Read sensor # 20
Status:OK
Duration of mbpoll command: 32ms
Read sensor # 21
Status:OK
Duration of mbpoll command: 41ms
Read sensor # 22
Status:OK
Duration of mbpoll command: 39ms
Read sensor # 23
Status:OK
Duration of mbpoll command: 35ms
Read sensor # 24
Status:OK
Duration of mbpoll command: 39ms
Read sensor # 25
Status:OK
Duration of mbpoll command: 39ms
Read sensor # 26
Status:OK
Duration of mbpoll command: 33ms
Read sensor # 27
Status:OK
Duration of mbpoll command: 37ms
Read sensor # 28
Status:OK
Duration of mbpoll command: 40ms
Read sensor # 29
Status:OK
Duration of mbpoll command: 37ms
Read sensor # 30
Status:OK
Duration of mbpoll command: 42ms
************************************************
root@napi-rk3308b-s:~# 

Скрипт выдает статус датчика и скорость ответа команды mbpoll по каждому датчику.

Особенности нашего стенда

Он простой и собирается буквально вставлением одних элементов в другие
Компоненты (микроконтроллеры \ шилды) легко заменяются
Вы можете сделать свою шилду (плату расширения к Wemos) с любым датчиком для Arduino или, например АЦП.
Возможно разнести платы на реальные линии передачи данных и проверить стабильность и скорость опросов датчиков, например на далеких расстояниях.
Можно запрограммировать "симуляцию" любого датчика в среде Arduino это делается максимально просто. Вы можете запрограммировать любое количество регистров ModBus различного типа.
Wemos D1 позволяет прошивать себя через сеть WiFi поэтому при соединении с WiFi, можно перепрошивать "датчики" без соединения по USB (пока не реализовано)

Код прошивки для WemosD1

Мы открыли код прошивки для WemosD1, качайте, эмулируйте свои устройства прошивайте: https://github.com/lab240/esp8266-modbus-stand

tip

Для компиляции скетча необходимо установить библиотеку modbus-esp8266: https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/modbus-esp8266/

Скачайте zip файл с последней версией, зайдите в среду ардуино и выберете меню "Скетч - Подключить библиотеку - Добвить .ZIP библиотеку и выбрать скачанный ZIP-файл.

Также можно просто разархивировать архив с библиотекой в каталог Arduino\libraries.

Пояснения к прошивке

Так как аппаратный порт Serial в WemosD1 всего один, а библиотеке нужен именно аппаратный Serial, то мы используем следующий алгоритм:

RX,TX преобразователя UART-RS485 подключены на D7 (GPIO7) и D8 (GPIO15)
Питание преобразователя подано через реле, которым управляет pin D1 (GPIO5).
После окончания сессии по стандартному порту Serial для получения адреса, мы включаем преобразователь и переключаем Serial на D7,D8 функцией SerialSwap
Теперь у нас преобразователь подключен в аппаратному порту Serial и готов для работы по протоколу ModBus.

Интересно ? Поможем !

Мы можем помочь в программировании Wemos D1, создании плат расширения для Wemos D1, сделать вариант платы с меньшим или большим количеством эмулируемых датчиков.

tip

Вы можете эмулировать свои реальные датчики на нашем стенде !

Возможно установки реальных датчиков через плату расширения.

Ссылки

Как настроить Arduino IDE для Wemos D1: https://github.com/esp8266/Arduino
На русском языке: https://wiki.iarduino.ru/page/WEMOS_start/

Стенд эмуляции множества датчиков Modbus

Общий вид и функционал стенда​

Компоненты стенда​

Wemos D1 mini​

Плата расширения​

Pinout Wemos D1​

Принципиальная схема стенда​

Логика работы стенда​

Опрос стенда​

Пример опроса​

Тест всего стенда​

Особенности нашего стенда​

Код прошивки для WemosD1​

Интересно ? Поможем !​

Ссылки​

Общий вид и функционал стенда

Компоненты стенда

Wemos D1 mini

Плата расширения

Pinout Wemos D1

Принципиальная схема стенда

Логика работы стенда

Опрос стенда

Пример опроса

Тест всего стенда

Особенности нашего стенда

Код прошивки для WemosD1

Интересно ? Поможем !

Ссылки