Simulación Transmisor De Temperatura Modbus (Labview + Raspberry Pi 3)

POST ESCRITO EN ESPAÑOL

Se simuló un circuito transmisor de temperatura, el elemento primario (Sensor) fue implementado mediante un potenciometro el cual varia el voltaje de entrada. Para enviar la información del sensor (Elemento Secundario), si implementó el protocolo MODBUS RTU, por medio de un puerto serial hacia una computadora que será el maestro.

Como maestro se elaboró un programa en labVIEW haciendo uso de la librería MODBUS que ya implementa. El esclavo es capaz de recibir las siguientes funciones del maestro:

Función 0X01
Función 0x02
Función 0x03
Función 0x04
Función 0x05
Función 0x06

Los registros implementados en el esclavo son:

Direccionamiento MODBUS (16 bits)
Velocidad de transmisión (16 bits)
Medición de la temperatura (16 bits)
Bit de error (1 bit)
Bit de selección (1 bit) C o F
Nivel máximo de medición (16 bits)
Nivel mínimo de medición (16 bits)

Supplies

LabVIEW
Raspberry Pi 3
ADC MCP3008
1 Potenciometro
Jumpers
FTDI (FT232RL)
Protoboard

Step 1: Circuitos

Circuito MCP3008 y Frambuesa Pi

Conexión Raspberry Pi 3 y FTDI:

GND a GND
TX a RX
RX a TX

Step 2: Esclavo MODBUS En Raspberry Pi 3B

Como primer pazo necesitas configurar e instalar tu sistema operativo en tu Raspberry Pi 3B. Sugiero instalar NOOBS desde la pagina oficial. Luego configurar tu Raspberry Pi 3B para poder utilizar el puerto serial y puerto SPI.

(Personalmente yo me conectó a mi raspi utilizando VNC Viewer para ello hay que activar el servidor VNC de la raspi)

Originalmente el valor del ADC representa que la temperatura medida por el sensor esta en grados Celsius y al estar el bit de selección en 1 este valor se pasa a grados Fahrenheit.

Ya sabiendo todo esto, el esclavo MODBUS se realizó con Python haciendo uso de la librería Pyserial. Para la simulación del transmisor se trabajo con 4 listas:

Coils
Input Registers
Holding Registers
Discrete Inputs

Cada lista se hizo de 6 elementos. Breve descripción de los elementos de cada lista:

coils_lista[0] = bit de selección (si está en 0 significa que la unidad de medición es en Celsius caso contrario unidad de medición en Fahrenheit)
discrete_input[0] = bit de error (este bit se enciende cuando el valor de temperatura esta fuera del rango establecido entre temperatura máxima y mínima)
inputRegister_lista[0] = Valor del ADC (sensor de temperatura simulado por un potenciometro) dependiendo del valor de bit de selección.
holdingRegister_lista[0] = dirección de esclavo
holdingRegister_lista[1] = valor de temperatura máxima
holdingRegister_lista[2] = valor de temperatura mínimo
holdingRegister_lista[3] = velocidad de transmisión.

El esclavo MODBUS a decisión personal cuenta con ciertos parámetros iniciales como lo son:

Valor de temperatura máxima 500 Celsius
Valor de temperatura mínima 200 Celsius
Baudrate inicial de 9600
Dirección de esclavo 1
Unidad de medición inicial en Celsius.

La lógica aplicada es la siguiente:

En primer lugar se buscó leer toda la trama MODBUS enviada por el maestro, esto se hizo en Python mediante el código:

En segundo lugar se buscó la función que el maestro solicitaba para luego validar si la cantidad de salidas pedidas por el maestro eran validas sino generar un código de excepción 3, seguido de validar si el maestro pedía una dirección implementada sino generar un código de excepción 2 y por ultimo realizar la instrucción pedida según el código de función leído.

Y así sucesivamente con el resto de funciones implementadas.

Para ultimo paso en cada función crear una lista y mandar uno por uno por el puerto serial la petición del maestro.

Aclaro que no valide si el CRC enviada al esclavo era el correcto pero si lo hice para el mensaje enviado al maestro. La función de CRC la adapte a mi código usando este link CRC MODBUS

CRC calculator

Códigos de excepción MODBUS

Step 3: Maestro LabVIEW (HMI)

La creación de un maestro que fuera de cierta manera amigable para un usuario final fue hecha por medio de labVIEW y su librería MODBUS la cual facilitaba la creación de un maestro MODBUS RTU.

Se elaboró una maquina de estados en labVIEW con las siguientes opciones:

init
conectar: aquí está el API de crear un nuevo maestro modbus con la opción habilitada de SERIAL.
escribir: aquí se utiliza la funcion write single holding register y write single coil
leer: aquí se configuran los registros y coils de importancia para la lectura del maestro.

Step 4: Máquina De Estados

continuación explicare detalladamente la configuración en cada opción:

conectar:

Se utilizó el API de crear un nuevo maestro MODBUS seleccionando la opción de "New Serial Master", se crearon controles para configurar:

Baudrate
Parity
Serial Port (Visa Resource)
Serial Type (RTU)
ID del esclavo.

escribir:

En escribir solo me interesaba que el maestro pudiera cambiar la temperatura máxima y mínima, el bit de selección, asignarle una nueva dirección al maestro y por ultimo asignarle un nuevo Baudrate al esclavo por lo que ya sabia de antemano en que direcciones se encontraba la información a la que el maestro accedería. Por lo que las funciones utilizadas fueron:

Write single coil
Write single holding Register.

leer:

En leer solo me interesaba la lectura del bit de error y el input register asociado a mi variable primaria.

Las funciones utilizadas fueron:

Read Input Register
Read Coils.

Step 5: Front Panel

El panel frontal en labVIEW se trató lo mejor posible que fuera amigable para el usuario final. Por lo que se realizó lo siguiente:

Se instaló DMC GUI Suite para labVIEW para tener un mejor diseño en cuanto a controles e indicadores.

2 termómetros (1 para indicar la temperatura en Celsius y otro para indicar la temperatura en Fahrenheit).

Botón "Warning" que únicamente se enciende cuando el bit de error está encendido.

Botón para editar los rangos de temperatura a medir (para que únicamente haga el cambio al registro cuando se es presionado el botón) caso contrario siempre los estuviera modificando lo cual causaría un funcionamiento incorrecto.

Botón para editar la dirección del esclavo (para que únicamente haga el cambio al registro cuando se es presionado el botón)

Botón para editar el baudrate del esclavo (para que únicamente haga el cambio al registro cuando se es presionado el botón)

Un botón para "Excepciones" (Para que genere una excepción dependiendo de la función MODBUS seleccionada)

Step 6: Archivos Python

En estos archivos está implementado el esclavo MODBUS (Transmisor de temperatura) junto con el archivo ADC para leer la variable de interés del sensor de temperatura (Simulado en el canal 0 con un potenciometro).

Me quedo pendiente implementar las funciones 15 y 16.

Step 7: HMI

Master Modbus RTU

Este es el maestro implementado en labVIEW. Hay cosas para mejorar, por ejemplo no pude corregir un error al conectar al primer intento, investigue y no encontré una solución para aplicarla.