模拟量输入采集模块 晋江机场电子 IPAM3802用户手册.docx
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模拟量输入采集模块晋江机场电子IPAM3802用户手册
目录
1.IPAM-3802功能简介1
1.1主要技术指标2
1.1.1模拟量输入2
1.1.2数字量输出2
1.1.3系统参数2
1.2原理框图3
1.3端子信息4
1.3.1端子排列4
1.3.2端子描述4
1.4电气参数5
1.5通信参数设置5
1.6信号指示灯6
1.6.1固件升级状态6
1.6.2正常运行状态6
1.7电源和通讯线的连接6
1.8机械规格7
1.8.1机械尺寸7
1.8.2安装方式8
2.IPAM-3802的模拟量输入功能9
2.1模拟量输入9
2.2输入采样原理9
2.3输入接线9
2.4采样值计算10
2.4.1ADC数据类型10
2.4.2有符号整型10
2.4.3模拟量值10
2.4.4量程百分比11
2.5模拟量输入通道控制11
3.IPAM-3802的数字量输出功能12
3.1输出原理12
3.2输出接线方式12
3.3数字量输出通道控制13
4.IPAM-3802应用示例14
4.1安装设备14
4.2操作设备14
4.2.1IPAM系列模块通信参数的修改14
4.2.2RS-485主机通信参数设置14
4.2.3模块信息配置16
4.2.4功能操作18
5.IPAM-3802资源地址及通信协议20
5.1IPAM系列模块资源地址20
5.1.1IPAM-3802的I/O端口资源20
5.1.2配置资源21
5.2通信协议21
5.2.1MODBUS协议21
5.2.2自定义ASCII协议命令简析22
6.免责声明29
1.IPAM-3802功能简介
IPAM-3802是模拟量输入采集模块，可以同时采样8路的差分信号，采样分辩率为12位。
适用于采集工业现场的各种电压和电流信号，可以用于采集传感器或变送器的信号。
模块还具有2通道的数字量输出，可以设置为用户控制输出或对输入采样进行超限状态指示输出。
IPAM-3802模块的外观如图1.1所示。
图1.1IPAM-3802外观示意图
1.1
主要技术指标
1.1.1模拟量输入
♦输入路数：
8路差分输入
♦测量范围：
可独立配置各个通道的输入信号测量范围：
±10V或±5V；测量电流信号时，需要在端口并联一个采样电阻，然后根据获得的电压进行计算。
♦ADC分辩率：
12位
♦采样精度：
±0.5％
♦采样速率：
100次/秒（全通道）
♦上下限超限报警输出，独立使能或禁止超限报警，上、下限独立配置
1.1.2数字量输出
♦输出路数：
2路
♦输出类型：
开漏输出
♦最大负载电压：
50V
♦最大负载电流：
50mA
♦可以选择为用户控制模式或输入通道状态指示模式
♦用户控制模式下，具有安全输出功能，可软件配置安全时间和安全输出值
♦超限报警模式下，可设置超限输出值
1.1.3系统参数
♦CPU：
32位RISCARM
♦操作系统：
实时操作系统
♦隔离耐压：
1000VDC
♦供电电压：
+10~+30VDC，电源反接保护
♦工作温度范围：
-20℃～+85℃
♦塑料外壳，标准DIN导轨安装
♦通讯接口：
隔离2500VDC，ESD、过压、过流保护
1.2
原理框图
IPAM-3802模块的原理框图如图1.2所示。
模块主要由电源、隔离电路、A/D转换电路、数字量输出电路、RS-485隔离通讯接口以及MCU等组成。
模块的微控制器采用32位RISC的ARM芯片，具有非常快速的数据处理能力，并采用了看门狗电路，可以在出现意外时将系统重新启动，使得系统更加稳定可靠，可以应用在高性能和高速度的应用环境中。
IPAM-3802针对工业应用设计，在内部输入输出单元与控制单元之间采用光电隔离，并对输入信号采取滤波措施，极大降低了工业现场干扰对模块正常运行的影响，使模块具有良好的可靠性。
图1.2IPAM-3802原理框图
1.3
端子信息
1.3.1端子排列
IPAM-3802共有26个端子，壳体上端子排列如图1.3所示。
图1.3IPAM-3802端子排列
1.3.2端子描述
IPAM-3802的端子定义说明如下：
♦GND，+VIN为模块的电源输入端，GND接电源负端，+VIN接电源正端；
♦CFG为模块的默认通信参数硬件使能端子，当此端子接地，模块将以默认的通信参数进行初始化，并且通信参数可配置；
♦EARTH为模块的接大地端子，将此端子与大地连接可以提高ESD保护性能。
♦485GND，485A，485B为隔离的RS-485接口端子，485GND为接口的隔离地，485A接RS-485收发器的A端，485B接RS-485收发器的B端。
♦AIN0±~AIN7±为模块的8路模拟量差分输入通道，AIN+为正输入端子，AIN-为负输入端子。
♦DGND为数字量输出端口地，与模拟量输入端口地之间用磁珠隔开，避免数模干扰。
DGND、模块的电源地GND之间电气隔离，隔离电压可达1000VDC，它们和485GND之间也电气隔离，隔离电压高达2500VDC。
♦DO0~DO1为模块的2路数字量输出通道端子。
1.4
电气参数
除非特别说明，表1.1电气参数所列参数是指Tamb=25℃时的值。
表1.1电气参数
参数
Parameter
最小值
Min.
典型值
Typ.
最大值
Max.
单位
Unit
模拟量输入
AnalogInput
输入信号带宽
Bandwidth
2k
Hz
采样精度
Accuracy
±0.5
±1
%ofFSR
采样速率
SamplingRate
100
次/秒
（全通道）
测量范围
InputRange
-10
+10
V
输入信号范围
AbsoluteInputRange
-12
+12
V
数字量输出
DigitalOutput
负载电压
LoadVoltage
50
V
负载电流
LoadCurrent
50
mA
负载功耗
PowerDissipation
2500
mW
隔离电压
IsolationVoltage
1000
Vdc
供电电压
PowerSupply
10
30
V
功耗
PowerConsumption
1.4
W
1.5通信参数设置
IPAM系列模块支持标准的Modbus协议及一套自定义的ASCII协议命令集，具有三种通信传输模式可供配置。
模块的通信参数如：
设备地址、波特率、数据位长度和奇偶校验方式等也可通过配置软件进行配置。
通信参数都是保存在模块的E2PROM中，用户可以通过RS-485接口进行远程软件配置。
要通过配置软件进行修改通信参数，用户首先需要知道该模块的参数配置。
由于模块没有诸如拨码开关之类的硬件设置来指示此时的参数配置，可能会存在用户忘了某个IPAM模块的通信参数的情况。
为了解决此问题，每个IPAM模块都有一个硬件使能输入端子CFG。
将此端子连接到GND后，给模块上电，模块的通信参数处于确定的状态：
♦地址：
1
♦波特率：
9600bps
♦通信协议传输模式：
MB-RTU
♦数据格式：
无奇偶校验，8个数据位，1个停止位
将CFG端子与GND短接，模块用以上确定的通信参数进行初始化，并不会改变E2PROM中保存的配置参数。
但只有在这个条件下，通信配置参数才可以进行修改，否则对通信参数的配置命令都将回应异常响应。
通信参数修改后，必须把CFG端与GND断开连接后，给模块重上电或通过软件复位模块，配置的通信参数才生效。
需要注意：
在Custom-ASCII协议下，地址参数为动态修改的参数，修改后不用复位模块即生效。
1.6信号指示灯
IPAM系列模块具有两个指示灯，PWR为电源指示灯（红色）和工作状态指示灯MNS。
PWR在模块内部，需要打开外壳才能看到，此灯亮，表示IPAM模块供电正常。
MNS为红绿双色指示灯，可以从外壳面板上看到，用于指示模块的工作状态。
由于模块具有远程固件升级的功能，模块的正常运行后将选择进入固件升级状态或正常功能状态，两种工作状态是互相独立的，他们的指示灯状态不同。
1.6.1固件升级状态
模块上电后先运行固件升级的程序代码，有固件升级要求条件时，将处于固件升级状态，重新上电复位后，不满足升级条件才退出此状态。
在固件升级状态中，MNS指示灯状态如表1.2固件升级状态下MNS指示灯状态表1.2所示。
表1.2固件升级状态下MNS指示灯状态
MNS指示灯状态
模块的工作及通信状态
不亮
模块没有上电或没有运行
红灯常亮
模块初始化出错
红、绿灯交替闪烁，频率1Hz
模块正常运行，未与主机进行过通信
红、绿灯交替闪烁，频率10Hz
已正常通信，建立连接
1.6.2正常运行状态
模块上电后运行固件升级的程序代码，判断没有进入固件升级状态条件后，将进入正常功能状态，其MNS指示灯状态如表1.3所示。
表1.3正常功能状态MNS指示灯状态
MNS指示灯状态
模块的工作及通信状态
红灯亮
模块初始化出错
绿灯常亮
模块正常运行，未与主机进行过通信
绿灯闪烁，频率3Hz
模块与主机已正常通信，建立连接
1.7电源和通讯线的连接
图1.4电源和通讯线的连接
模块的电源和RS-485通讯线的连接如图1.4所示，在接线时，要注意：
模块的+VIN引脚连接输入电源的正极性端，GND引脚连接输入电源的负极性端，连接时避免电源连接的极性错误。
多个模块连接到同一个电源时，所有的+VIN引脚连接到电源正端，GND引脚连接到电源负端。
RS-485通讯线在连接时，网络上所有的模块485A端必须连接到同一根485A信号线，所有的模块485B端必须连接到同一根485B信号线，否则会引起网络的通讯异常。
模块的RS-485接口为带隔离的总线接口，需要共地时，将模块的485GND连接到RS-485主机的隔离地上。
RS-485网络为总线式拓扑结构，建议网路布线时尽可能减小支线长度。
在RS-485网络的主干线的末端需要接终端电阻。
注意：
RS-485通讯线可以使用双绞线、屏蔽双绞线。
若通讯距离超过1KM，应保证线的截面积大于Φ1.0mm2，具体规格应根据距离而定，常规是随距离的加长而适当加大。
RS-485网络要求在干线的两个末端安装终端电阻，电阻的要求为：
♦120欧姆；
♦1%金属膜；
♦1/2瓦。
注意：
终端电阻只应安装在干线两端，不可安装在支线末端。
1.8机械规格
1.8.1机械尺寸
IPAM系列数据采集模块采用塑料外壳，其外形尺寸如图1.5所示。
图1.5机械尺寸示意图
1.8.2安装方式
IPAM系列数据模块外壳配有导轨底板，如图1.6所示，可以直接安装在标准的DIN导轨（35mm宽D型导轨）上，用户也可以采用其它的简便的安装方式。
图1.6导轨底板示意图
安装时，先将IPAM模块与导轨底板锁紧后，将导轨底板钩住导轨的上边沿，然后将底板上的红色卡座往下拉，将模块底板贴紧导轨后，松开红色卡座，即把模块装在导轨上，图1.7为安装过程示意图。
图1.7安装示意图
2.IPAM-3802的模拟量输入功能
2.1模拟量输入
在工业控制过程中，经常需要采集现场的传感器模拟量信号，以便对其分析进行现场设备的控制。
各种的传感器设备的模拟量输出信号不同，常见的有电压信号和电流信号。
IPAM-3802模块具有8路模拟量差分输入通道，每个通道可以独立设置输入信号测量范围±10v或±5v；测量电流信号时，需要在端子并联采样电阻。
2.2输入采样原理
IPAM-3802模块的模拟量输入采样是通过前端调理电路来实现的，前端调理电路的基本结构如图2.1所示。
图2.1模拟量输入采样前端调理电路
其前端调理电路基本由平滑滤波器、多路模拟开关、增益调整电路以及A/D转换电路组成。
平滑滤波器实现对输入信号的滤波，增益调整电路根据输入信号的幅值将信号调整至较合适的电压，提高对于系统对信号测量的动态范围，ADC完成最终对于信号的测量。
2.3输入接线
IPAM-3802具有8路模拟量差分输入通道，可以采集传感器或变送器输出的电压信号或电流信号。
电压输入信号，可以直接连接到输入端子上。
对于电流输入信号，需要外接一个采样电阻。
其接线方式如图2.2所示。
图2.2模拟量输入接线方式
需要注意的是，AI通道的负端输入内部连接了一个200KΩ电阻，用于抑制共模电压所产生的地环路噪声干扰。
2.4采样值计算
IPAM-3802将模拟量输入的采样值采集经过校正后，存放于指定的寄存器地址空间中，IPAM-485主机可以通过命令读取指定通道的采样值。
采样值为16位数据，具有多种数据类型，可根据用户使用要求通过配置软件进行选择。
配置软件对输出采样值数据类型的配置命令是通过写配置代码来实现的，配置类型代码和数据类型的对应关系如表2.1所示。
模块采样数值是按照设置的数据类型存储在对应通道的寄存器中的，而对模块中模拟量相关的配置寄存器进行配置时，也需要转换成指定的数据类型再进行配置。
表2.1AI采样值数据类型设置
类型代码
数据类型
01
ADC采样数据
02
有符号整型
03
模拟量值
04
量程百分比
注意：
如果使能了超限报警功能，修改了模块返回数据的数据类型后，需要对上下限值重新配置。
2.4.1ADC数据类型
类型代码为1时，表示输出数据为ADC输出数据类型，12位有效数据，0x800为0值，0~0x7FF表示采样值为负数，0x801~0xFFF表示采样值为正数，高4位数据为无效数据。
将采样值数据转换成对应的模拟量值需要区分正负数，假设采样值数据为X，则负数的转换公式为
，正数的转换公式为：
（X-0x800）*FSR/0x7FF。
其中FSR为设定的满量程值。
测量范围为±10V时，FSR=10V；测量范围为±5V时，FSR=5V。
将上下限值转换为对应数据类型寄存器数值计算公式为：
，其中X为带符号的模拟量值。
例如：
测量范围为±10V，X=－4V时，转换值为
＝0x4CE。
2.4.2有符号整型
类型代码为2时，表示输出数据为16位整型数据，负数采用补码方式，可以将读取到的寄存器中的值X当成有符号数来处理，转换成模拟量值的计算公式为：
X*FSR/2047。
上下限的模拟量值转换成寄存器值公式为：
X*2047/FSR，其中X为带符号的模拟量值，计算后将数值转换成有符号的16进制整型数据。
2.4.3模拟量值
IPAM-3802只支持10V和5V两个量程，配置代码为3时，返回的数据为有符号数，直接表示是模拟量值，不需要考虑选择的量程，负数采用补码方式，单位为1mv。
例如，返回数据为0x7D0时，表示当前测量值为2000mv；返回数据为0xF830时，表示当前测量值为-2000mv。
2.4.4量程百分比
IPAM-3802还提供采样数据的量程百分比数据类型，当类型代码设置为4时，输出数据表示此时的采样值为设定的量程的百分比，单位为0.01%，负数采用补码方式。
输出数据转换成模拟量值公式为：
X*FSR/10000，其中X为有符号数。
上下限的模拟量值转换为对应数据类型寄存器值计算公式为：
X*10000/FSR，其中X为带符号的模拟量值。
2.5模拟量输入通道控制
IPAM-3802的8路模拟量输入通道可以独立配置使能或禁止指定通道对输入信号的采样，应用中可以将没有用到的AI通道关闭，来提高其他通道的采样速率，读取关闭的通道的采样值，将回复零点值。
由于采用Modbus协议，每条有效命令都有响应，接收命令的从机需要时间进行处理然后响应，所以建议主机发送命令与下一条命令之间至少需要50ms延时，以保证通讯可靠。
这样通过读AI命令读取采集端口寄存器中数据，将只能获得接收到命令的实时数据，而无法获得50ms中每个采样点的数据。
对此，我们提供了专门的配置命令用于读取存放在模块缓存中的采样数据，方便有需要获得更快速实时数据的用户操作。
用户可以通过我们提供的采集库和配置库中的接口函数，对采集数据进行读取，也可以直接发送命令读取缓存中的采集数据。
命令为：
01475A594D420400B0004080（CRC）。
01为目标IPAM-3802模块的ID号，根据实际修改；其余命令字都不需要更改，然后添加CRC后直接发送即可。
对应ID号的IPAM-3802模块接收到该命令后，将回复64个寄存器的数据，每个寄存器为16位，2个字节表示一个采样点的数据。
例如64个寄存器数据分别为：
Data0_0~Data0_7、Data1_0~Data1_7、Data2_0~Data2_7、Data3_0~Data3_7、Data4_0~Data4_7、Data5_0~Data5_7、Data6_0~Data6_7、Data7_0~Data7_7。
如果模块的所有通道都使能，那么每个AI通道都有8个缓存数据，AI0通道对应Data0_0~Data0_7，AI1通道对应Data1_0~Data1_7，依次类推。
Data0_0表示AI0通道最新采样点数据，Data0_1为该通道前一个采样点数据，依次类推。
如果模块的某些通道使能，而某些通道禁止，那么禁止通道的缓存空间将作为前一个通道的更早数据保存空间。
例如，AI0通道使能，AI1通道禁止，AI2通道禁止，，那么Data0_0~Data0_7、Data1_0~Data1_7和Data2_0~Data2_7都用来存放AI0通道的采集点数据，Data0_0为最新的采样数据，Data2_7为最早的采样点数据。
如果只使能单通道，例如只使能AI7，而其他通道禁止，那么Data7_0为最新的采样数据，Data7_1~Data6_7依次为之前的采样点数据。
IPAM-3802还具有AI输入上、下限超限报警的功能。
模块可以独立配置各个通道的上、下限值，并对上、下限输入超限报警功能进行独立的使能或禁止。
当有AI通道的超限报警功能使能时，模块的2路数字量输出通道用来指示上、下限的超限状态。
通过配置软件配置的各通道上、下限值和通道控制状态都将保存在模块的E2PROM中，配置信息掉电后不丢失。
3.IPAM-3802的数字量输出功能
IPAM-3802还具有2通道的数字量输出，可以设置为用户控制输出或对模拟量输入采样进行超限状态指示输出。
3.1输出原理
IPAM-3802的数字量输出通道，采用开漏输出方式，需要在输出端口连接负载以及上拉电源，最大负载电压50V，最大负载电流50mA。
输出信号的内部等效电路如图3.1所示。
图3.1DO输出内部等效电路
当DO控制位写入高电平信号时，晶体管T1导通，DOUT引脚输出为低电平信号；反之DO控制位写入低电平信号，T1截止，DOUT被外部上拉电阻拉为高电平。
模块内部已经对DO控制位进行处理，在DO端口寄存器中，在DOn写入0，对应的DOn端子脚输出低电平，写入1即输出高电平。
3.2输出接线方式
IPAM-3802模块的数字量输出端口在使用时必须连接上拉电阻。
模块的DOn端子脚与用户提供的上拉电阻连接，COM端子脚与用户的提供的信号地相连接，如图3.2所示。
图3.2DO接线方式示意图
图3.3DO驱动继电器接线示意图
IPAM-3802模块的输出信号驱动继电器接线方式，如图3.3所示。
连接固态继电器时，需要接一个限流电阻，连接普通继电器时，需要接一个续流二极管，以保护内部电路不被损坏。
COM是输出信号的公共地，与模块电源电压输入地GND是隔离的，接线时需要注意，不要混淆。
3.3数字量输出通道控制
IPAM-3802的2通道数字量输出，可以设置为用户控制输出或对模拟量输入采样通道进行超限状态指示输出。
当有模拟量输入通道使能上、下限超限报警功能时，DO输出即选择为超限状态指示输出模式，否则DO输出为用户控制输出模式。
DO通道为用户控制输出模式时，具有安全输出的功能。
可以配置DO的安全时间和安全输出值，当模块与主机超过设定的安全时间未成功通信时，模块的DO将以设定的安全输出值输出以保护控制设备的安全，并将模块的状态恢复为未连接状态。
DO通道为超限状态指示输出模式时，DO不受安全时间的影响，但模块的状态受安全时间的控制。
在此模式下，DO0对应于所有使能超限功能的AI通道的下限超限报警，DO1对应于上限超限报警输出。
各个AI通道的上、下限值可以独立配置，但只要有一个使能超限报警功能的AI通道输入超限，对应的DO超限输出将以设定的超限值输出。
DO的超限输出值可以通过配置软件配置，根据用户需要配置为高电平输出或低电平输出。
AI通道使能超限报警功能后，在非超限状态下，DO通道是以配置的安全输出电平进行输出，而在超限状态下是以配置的超限电平进行输出，因此使能超限功能，还需要对安全输出电平和报警输出电平进行正确配置。
4.IPAM-3802应用示例
4.1安装设备
IPAM系列模块是基于RS-485接口的数据采集模块，将各个IPAM功能模块进行组网时，需要配备以下设备及工具：
●IPAM数据采集模块；
●RS-485主机，如具有RS-232或RS-485接口的PC机或EPC/EPCM工控机；
●供电电源（+10V~+30V）；
●IPAM测试软件
●如果采用PC机的RS-232接口，还需要配备隔离的RS-232/RS-485转换器
IPAM系列模块的通信参数是通过软件进行配置，并保存在模块内部的E2PROM中，在进行组网之前，需要获知每个IPAM模块的通信参数，利用配置软件进行配置，保证同一网络里所有模块的波特率、通信数据格式及通信协议传输模式的设置一致，并且设备地址不冲突。
4.2操作设备
4.2.1IPAM系列模块通信参数的修改
IPAM系列模块的通信参数如：
设备地址、波特率、数据位长度和奇偶校验方式等都是保存在模块的E2PROM中，用户可以利用测试软件通过RS-485接口进行远程软件配置。
要通过测试软件修改通信参数，需要在模块上电之前，将硬件使能输入端子CFG连接到GND，然后给模块上电，此时模块的通信参数处于确定的状态：
♦地址：
1
♦波特率：
9600bps
♦通信协议传输模式：
MB-RTU
♦数据格式：
无奇偶校验，8个数据位，1个停止位
由于同一网络中的模块地址需要唯一性，同一时刻只能有一个模块处于CFG状态，且没有其他的设备使用地址1。
将CFG端与GND短接后为模块上电，模块用以上确定的通信参数进行初始化，并不会改变E2PROM中保存的配置参数。
且只有在这个条件下，通信配置参数才可以进行修改，否则对通信参数的配置命令都将回应异常响应。
通信参数修改后，必须把CFG端与GND断开连接后，给模块重上电或通过软件复位模块，配置的通信参数才生效。
建议单独连接要配置参数的模块，对模块进行配置后，再将模块连接到RS-485网络中。
4.2.2RS-485主
升级会员 