modbusRTU控制的0-30v可变电压源开题报告

全文总字数：3923字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.设计背景和意义和国内外研究现状

现如今，随着计算机和通讯技术的快速发展，电子产品的更新换代也变得日新月异。在快速发展的同时，也对电源提出了更高的要求。数控电源由于实时性和可靠性方面突出的表现，被越来越广泛地应用于各种工业中现场总线中。

现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源。传统的数控电压源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并由电压表指示电压值的大小。因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。而基于单片机控制的数控直流电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。数字化可以有效地减少参与过程中的不确定因素和人为制造的失误，极大的提高电源模块的精准性和可靠性。而在用于数控的各种方式中，modbus协议作为工业领域通信协议的业界标准（de facto），并且是现在工业电子设备之间最常用的连接方式，毫无疑问具有其独特的长处。因此研发利用modbusrtu控制的可变电压源，对于工业工厂中对电源电压的精确控制有重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计内容

数控电压源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。针对以上问题，本课题设计了一种基于单片机的数控式高精度简易直流可变电源的设计，具有设计方案简洁，精度高，便于调节，可拓展和节省资源等特点，特别适用于各种有较高精度要求的场合。本次毕业设计是设计一个可以通过modbusRTU通信协议控制的电压可设定的电源。单片机采用STM32F030K6T6，用同步buck的降压斩波电路实现电压的可调。软件控制调节电压。

2.2设计方案

本设计系统如图一所示，基于Modbus协议，上位机PC通过RS-485接口和STM32实现通讯。采用STM32F030K6T6单片机，通过MOS驱动模块进行调控，从而使同步buck降压斩波电路实现电压的可调。辅助电源模块分别对各电路进行供电。信号调理电路采集输入电压、输出电压、输出电流等信号，并反馈给主控电路，主控电路利用采集的信号进行运算控制，以达到恒压恒流输出的目的。

图一 系统方案框图

2.2.1 Modbus协议

Modbus是一种应用层消息传递协议，是工业通信领域的事实标准，自1979年以来被广泛应用于各种工业应用中。通常，Modbus协议有三种变体：1）Modbus-ASCII，2）Modbus-TCP（传输控制协议）和3）Modbus-RTU（远程终端单元）。 Modbus-ASCII主要用于传输少量的文本格式数据， modbusTCP主要用于基于以太网的数据传输。与之相比， ModbusRTU更适合于现场传输大量的二元工业数据。这里采用 ModbusRTU较为合适。

如图而所示，Modbus RTU建立包含四个字段的单一消息结构：地址、功能代码、数据和CRC（循环冗余检查）。前三个字段包含Modbus事务的必要信息，而第四个字段对应于16位CRC计算，该计算旨在检测错误。

图二 modbus通用帧结构

2.2.2 同步buck降压斩波电路

Buck电路原理图如图三所示。图中Q为全控型器件，选用IGBT;D为续流二极管。驱动信号UGE周期地控制全控型器件Q的导通与截止，当Q处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当Q处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动Q导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：

式中ton为Q处于通态的时间，toff为Q处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比（α=ton/T）。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路（buck）。

图三 buck变换电路

同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。如图四，它能大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。

3. 研究计划与安排

1. 设计流程

1)查阅不少于15篇相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告的撰写；

2)在了解开关电源和通信协议的基础上给出modbusrtu控制的0-30v可变电压源方案；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王益涵等著.嵌入式系统原理及应用. 清华大学出版社,2016.

[2] 刘伟著. 集成电路原理及应用（第4版）. 电子工业出版社，2018.

[3] 徐科军等编. 传感器与检测技术（第4版）. 电子工业出版社，2016.