【導(dǎo)讀】：將Modbus通訊協(xié)議移植到金屬管浮子流量計，使得檢測儀表更具智能化和網(wǎng)絡(luò)化，同時為實現(xiàn)數(shù)字化組網(wǎng)提供了可行接口。經(jīng)過調(diào)試表明移植后的Modbus通訊協(xié)議可以實現(xiàn)基本功能，取得了預(yù)期的效果。
摘要：隨著通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的現(xiàn)場檢測儀器的智能化和數(shù)字化程度在逐漸提升�，F(xiàn)場總線作為開放化、數(shù)字化、多點通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)，成為了近代工業(yè)控制系統(tǒng)的熱門研究項目。將Modbus通訊協(xié)議移植到金屬管浮子流量計，使得檢測儀表更具智能化和網(wǎng)絡(luò)化，同時為實現(xiàn)數(shù)字化組網(wǎng)提供了可行接口。經(jīng)過調(diào)試表明移植后的Modbus通訊協(xié)議可以實現(xiàn)基本功能，取得了預(yù)期的效果。
浮子流量計是一種經(jīng)典的變面積式流量計，具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓損小、測量范圍大、運行可靠、可測中小流量及低雷諾數(shù)流量、維護方便、壽命長，對儀表前后直管段長度要求不高等優(yōu)點。金屬管浮子流量計可以適應(yīng)高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等多種苛刻環(huán)境，較少的可動部件、便于維護，解決了生產(chǎn)中的許多難題。基于Modbus協(xié)議的金屬管浮子流量計，通過選擇低功耗的微處理器和通訊芯片，將具有開放協(xié)議的Modbus協(xié)議移植到傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計中，使得儀表具有現(xiàn)場總線組網(wǎng)功能。
1.金屬管浮子流量計整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1是金屬管浮子流量計整體結(jié)構(gòu)圖。流量測量過程可概括為：磁阻傳感器將浮子位移信號轉(zhuǎn)化為電信號送給信號處理電路，經(jīng)過信號處理電路進行放大濾波后再經(jīng)由AD采樣模塊采樣，非常后送給微處理器處理，微處理器經(jīng)過一系列處理后得到當(dāng)前流量信息，送給液晶模塊顯示或者通過Modbus模塊將信號遠(yuǎn)傳給其他設(shè)備使用。
2.Modbus模塊硬件電路設(shè)計
Modbus通信協(xié)議有兩種串行傳輸模式：ASCII模式和RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式，與這兩種模式對應(yīng)的幀格式是ASCII幀格式和RTU幀格式。本文采用RTU幀格式，其數(shù)據(jù)幀格式為如表1所示。
一次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流進行傳輸。Modbus的RTU模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是3．5個字節(jié)通信時間以上（即起始位和結(jié)束符T1－T2－T3－T4）。
CRC校驗是為了防止傳送過程中傳輸錯誤，將自己計算的校驗碼與接收的校驗碼進行對比，相同則確認(rèn)接收正確繼續(xù)解析報文，否則接收到的是誤碼并停止解析報文。
Modbus通訊模塊硬件電路比較簡單，采用MAXIM（美信）公司的Max3072芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為差壓信號傳輸，圖2為Modbus通訊模塊硬件設(shè)計圖，通過USART與CPU進行數(shù)據(jù)交互。
Modbus模塊通過兩根串口線RX＿485和TX＿485與CPU相連，經(jīng)過MAX3072后轉(zhuǎn)化為差壓信號在485總線上傳輸，差壓信號幅值在200mV左右。
3.Modbus模塊軟件設(shè)計
Modbus通訊模塊功能是實現(xiàn)流量儀表與主機或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，儀表Modbus模塊的信號是通過RS485總線進行傳輸，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。程序初始化結(jié)束后，首先進入初始狀態(tài)。由于Modbus協(xié)議規(guī)定兩次幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔不能小于30μs，因此在進入初始狀態(tài)后會開啟定時器，30μs以后進入就緒狀態(tài)。有數(shù)據(jù)傳輸時，進入接收狀態(tài)，幀數(shù)據(jù)接收完成后進入幀解析封裝狀態(tài)，若接收數(shù)據(jù)出錯則進入錯誤狀態(tài)，封裝后再進入發(fā)送狀態(tài)，若數(shù)據(jù)正確則直接完成封裝進入發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后則再次進入初始狀態(tài)。Modbus模塊軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。
4.系統(tǒng)調(diào)試
Modbus通訊模塊驗證實驗的目的是驗證流量儀表能否通過485總線實現(xiàn)流量信息與控制臺的信息交互。本文應(yīng)用Modbus調(diào)試助手軟件模擬控制臺與Modbus模塊進行通信，驗證儀表Modbus模塊能否實現(xiàn)正常通訊。圖5是Modbus模塊與控制臺通信的電路連接圖。
為驗證Modbus模塊通訊的正確性，本文通過Modbus調(diào)試助手往Modbus模塊下發(fā)數(shù)據(jù)，若能返回正確數(shù)據(jù)，則證明通訊成功。圖6為通過Modbus調(diào)試助手與Modbus模塊通訊圖。以03（0x03）命令為例進行調(diào)試的測試結(jié)果圖，03命令的功能是讀取特定寄存器的值。串口調(diào)試助手下發(fā)的數(shù)據(jù)為“010300000001840A”，其中01為設(shè)備地址，03為命令碼，0000為起始地址，0001為寄存器數(shù)量，840A為CRC校驗碼。Modbus回發(fā)數(shù)據(jù)為“0103020810BE48”，其中01為設(shè)備地址，03為命令碼，02為字節(jié)數(shù)，0810為寄存的值，BE48為CRC校驗碼。測試結(jié)果表明，Modbus模塊能正常工作。
5結(jié)束語
選擇低功耗的微處理器和通訊芯片，將具有開放協(xié)議的Modbus協(xié)議移植到傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計中，實現(xiàn)了硬件平臺設(shè)計和軟件平臺設(shè)計，調(diào)試結(jié)果表明，移植后的Modbus協(xié)議能夠與控制臺實現(xiàn)實時通信，使得儀表具有現(xiàn)場總線組網(wǎng)功能。
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