摘要:渦輪(lún)流量計 是(shi)采用超低(dī)功耗單片(piàn)微機渦輪(lun)流量傳感(gan)器與顯示(shì)計算一體(tǐ)化的新型(xíng)智能儀表(biao)。文章針對(duì)流量計控(kòng)制的實際(ji)要🧑🏽‍🤝‍🧑🏻求,基于(yu)MODBUS協議的計(jì)量數據的(de)通信系統(tong)。渦輪流量(liang)計(下位機(jī)🌍)MSP430單片機實(shí)現數據的(de)采集及存(cún)儲。上位♊機(jī)程序是通(tong)過VisualStudio2012利用❓C#語(yu)言編寫的(de)基于MODBUS協議(yi)的Windows應用程(cheng)序。把，上位(wèi)機程序移(yi)植到嵌入(rù)式系統中(zhong),上下位機(ji)🌈通過無線(xian)射頻技術(shu)實現通信(xin)，完🌈成了對(duì)流量計的(de)遠程🏃🏻控制(zhì)以及計量(liàng)數據的遠(yuǎn)程采集與(yǔ)顯示。
　　渦輪(lun)流量計屬(shǔ)于速度式(shi)流量計，也(yě)被稱爲葉(ye)輪式流量(liàng)計💘。渦輪流(liú)量計是利(li)用置于流(liu)體中的葉(ye)輪的㊙️旋轉(zhuǎn)📧角速度與(yu)流體流速(sù)♈成比例的(de)關系,通過(guò)測量葉輪(lún)的轉速來(lai)♌反映通過(guo)管道的流(liu)體體積流(liu)量的大小(xiǎo)，是目前流(liu)量儀表中(zhōng)比較成熟(shu)的準确度(du)儀表🈲。　　随着(zhe)工業的發(fā)展以及計(ji)算機網絡(luò)的日趨完(wán)善,利用計(jì)算機作爲(wèi)上位機與(yǔ)渦輪流量(liàng)計進行通(tong)信已經是(shi)企事業單(dan)位計量數(shù)據管理的(de)大趨勢。渦(wō)輪流量計(jì)的通信系(xi)統是渦輪(lun)流量計的(de)重要☔組成(cheng)部分。雖然(rán)渦輪流量(liang)計已經提(tí)供了⚽瞬時(shí)流量、累積(ji)流量、溫度(dù)、壓力等信(xìn)息的采集(jí),但是目前(qian)這些✏️數據(jù)的讀❄️取需(xū)要靠人工(gong)進行現場(chǎng)抄表。原始(shǐ)的人工抄(chao)表方式既(ji)耗費大量(liang)的人力物(wu)力,又無🌍法(fa)避免手工(gong)抄寫和計(ji)算帶👅來的(de)誤差，且對(duì)數據的分(fen)析📐處理也(ye)嚴重滞後(hòu),不利于及(jí)時發🏃‍♂️現問(wen)題、解決問(wèn)題。因此,這(zhè)種數據讀(dú)取方式具(jù)有易出錯(cuò)、工作量大(da)、正确率低(di)等缺點。而(er)📱且渦輪💚流(liú)量計大多(duō)安裝在一(yī)些危險的(de)且無人看(kan)守的工作(zuo)現場的密(mì)封管中,人(rén)工抄表難(nan)度大。
　　爲了(le)解決這些(xiē)問題,本課(kè)題在Windows平台(tai)下利用VisualStudio2012編(bian)寫監🏃🏻控🈲程(chéng)🌈序并移植(zhí)到嵌入式(shi)系統下，通(tong)過射頻技(ji)術與下位(wei)🔞機進行無(wu)✂️線通信,通(tong)過監控程(chéng)序的無線(xiàn)控制能夠(gou)實現渦輪(lun)流量計的(de)開關🐕、各種(zhong)流量計參(can)數的💚設定(ding)以及将采(cai)集到😘的數(shu)據傳輸到(dao)嵌入式主(zhǔ)闆進🌍行顯(xian)示。
1系統總(zǒng)體方案
　　基(jī)于MODBUS協議的(de)渦輪流量(liang)計通信系(xi)統主要由(yóu)上位機和(he)渦輪流量(liàng)計(下位機(ji))通信部分(fen)組成。本設(she)計主要👉完(wán)成上位機(jī)部分。基于(yú)MODBUS協議編寫(xiě)上位機程(cheng)序并移🐉植(zhí)到嵌💯入式(shi)系統中，主(zhu)要完成⭐的(de)任務有:上(shang)位機通過(guo)無線射頻(pín)技術完✉️成(chéng)了對渦輪(lún)流量計✍️(下(xia)位機)的參(can)數配置并(bing)控制下位(wèi)機完成對(dui)現場流量(liàng)、溫度、壓力(li)等數據的(de)自動采集(jí)與顯示。
2MODBUS協(xié)議
2.1MODBUS協議簡(jiǎn)介
　　MODBUS規約是(shì)MODICOM公司開發(fa)的一個爲(wèi)很多廠商(shang)支持的開(kai)放規約，MODBUS協(xie)議是應用(yòng)于電子控(kòng)制器上的(de)一種通用(yòng)語言。通過(guo)此協議🈲,控(kòng)制🌈器相互(hu)之間、控制(zhi)器經由網(wǎng)絡(例如以(yi)太網)和其(qí)它設備之(zhī)間可以通(tong)信。MODBUS協議已(yǐ)經成爲一(yi)個通用:工(gōng)業标準,有(you)了🚶‍♀️它不同(tong)廠⭐商生産(chan)的控制設(shè)備可✉️以連(lian)成工業網(wang)絡進行集(ji)中監控。此(ci)協議定義(yì)了一個♌控(kòng)制器能認(rèn)識使用的(de)消息結構(gou),而不管它(ta)們是經過(guo)何種網絡(luo)進:行通☁️信(xìn)的。它描述(shù)了控制器(qì)請求訪問(wen)其它設備(bei)的過.程，如(rú)何回應來(lái)自其它設(she)備的請求(qiú),以及怎樣(yàng)偵測錯誤(wù)并記錄。它(ta)制👨‍❤️‍👨定了消(xiao)息域格局(jú)㊙️和内容的(de)公共格式(shi)。
　　MODBUS協議包括(kuò)RTU和ASCII等,并沒(méi)有規定物(wu)理層。此協(xie)議的數據(jù)通信采💋用(yòng)了主/從方(fāng)式,即主設(she)備端發出(chu)信息請求(qiu),從設備端(duān)接收到正(zhèng)确的信息(xi)後就會返(fan)回數據到(dào)主設備端(duan)完成響應(yīng);同時主設(she)🌐備端也.可(kě)以發消息(xi)直接修改(gai)從設備端(duan)的數據,實(shí)現了雙向(xiàng)的讀寫。
2.2MODBUS協(xié)議格式
　　MODBUS協(xie)議主要分(fèn)爲兩種傳(chuán)輸模式:RTU模(mo)式和ASCII模式(shì)。根據需求(qiú)可以自行(hang)選擇使用(yòng)何種模式(shi)，包括串口(kǒu)通信的參(can)數(端口号(hào)、波特率、校(xiao)驗方式等(deng))。在配置控(kong)制器的時(shi)候,同一個(gè)MODBUS網絡上的(de)所有設備(bèi)都必須選(xuǎn)擇相同的(de)協議格式(shi)和串口參(cān)數。當控制(zhi)器設在MODBUS網(wǎng)絡上并以(yi)ASCII模式通信(xin)時，字符發(fa)送時間間(jian)隔可達1s而(er)不産生🔆錯(cuo)誤,而且由(you)于ASCII格式擁(yōng)有開始🌈和(hé)結束标志(zhi),因🎯此ASCII協💃議(yi)的程序對(dui)數據包的(de)處理能更(gèng)加🚶方便直(zhi)觀,更加容(róng)易調試。這(zhè)是流量🌂計(ji)的通信系(xì)統選擇ASCII協(xié)議作爲通(tong)信格式的(de)原因。
2.3ASCII模式(shì)
　　當控制器(qì)設爲在MODBUS網(wǎng)絡上以ASCII(美(měi)國标準信(xìn)息交換代(dài)碼🙇‍♀️)模式🤞通(tong)信,消息中(zhong)每8Bit的字節(jiē)都作爲兩(liang)個ASCII字符發(fā)☔送。這種方(fang)式的主要(yào)優點是字(zì)符發送的(de)時間間隔(gé)可達到1s而(er)不産生錯(cuò)誤🍓。ASCII模式的(de)消息幀的(de)構成如表(biǎo)1。
 
　　消息幀的(de)地址域包(bao)含兩個字(zì)符(ASCII)或8Bit(RTU)。可能(néng)的從設備(bei)地址0...247(十🚶進(jin)制)。單個設(shè)備的地址(zhi)範圍是1...247。主(zhu)設備通過(guo)将要聯絡(luò)的從🏒設備(bei)的地🏃址放(fang)入消息中(zhong)的地址域(yù)來選通從(cóng)設備🔞。當從(cóng)設備發送(song)🏃回應消息(xi)時，它把自(zì)己的地址(zhi)放入回應(ying)的地址域(yu)中,以便主(zhǔ)設備知道(dào)是哪一個(gè)設備作出(chu)回應。地址(zhǐ)0用作廣播(bo)地址，以使(shi)所有的從(cong)設備都能(neng)認識。當MODBUS協(xié)議用于水(shuǐ)準高的網(wang)絡,廣播可(ke)能不允許(xu)或以🏃🏻其它(tā)方式💋代替(tì)。
3通信系統(tǒng)硬件設計(jì)
3.1通信系統(tong)硬件設計(jì)方案
　　通信(xìn)系統的硬(yìng)件設計方(fang)案如圖1所(suǒ)示。
 
　　上位機(ji)選用嵌入(rù)式開發闆(pǎn)EM9280,它是一款(kuǎn)面向工業(yè)自動化領(ling)域的嵌入(ru)式主闆産(chǎn)品,其内核(hé)CPU爲工業級(jí)品質的i.MX283,系(xi)統已預裝(zhuāng)正版WindowCE6.0實時(shí)多任務操(cāo)作系統。此(cǐ)外,EM9280體積小(xiao),易攜帶,可(ke)以方❓便地(dì)帶到工業(yè)控制現場(chang),方便工作(zuo)人員的操(cao)作。
　　EM9280的标準(zhun)配置中有(you)RS-485通信接口(kou),而标.準的(de)MODBUS物理層就(jiù)采用了♍RS-485串(chuan)行通🐕信标(biāo)準,通過485總(zǒng)線可以将(jiang)通信數據(jù)發送給無(wu)線射頻模(mó)塊,并通過(guò)射頻信号(hao)将數據發(fa)送給下位(wei)機端射頻(pin)模塊，最後(hou)再通過485總(zǒng)線傳送給(gei)渦輪流量(liàng)計✨，完成數(shu)據的傳輸(shū)。
　　無線射頻(pín)模塊采用(yong)PTR2000,無線收發(fā)一體數傳(chuán)MODEM模塊PTR2000芯片(piàn)👣性能優異(yi),在業界居(ju)領先水平(ping),它的顯著(zhe)特點是所(suǒ)需的外圍(wéi)元件少,因(yīn)而設🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計非(fēi)常方便。該(gāi)模塊在内(nèi)部集成了(le)高頻發射(she)、高頻接收(shou)、PLL合成、FSK調制(zhi)/解調、參量(liang)放大、功率(lǜ)放大、頻道(dao)🍉:切換等功(gong)能,因此是(shì)目前集成(chéng)度較高的(de)無線數傳(chuan)産品。該器(qì)件采用了(le)抗幹擾能(neng)♋力較強的(de)FSK調制/解調(diào)方式,其工(gōng)作頻率穩(wen)定可🈲靠。它(ta)是目前低(di)🌈功率無線(xiàn)傳輸✏️的理(li)想選擇。
3.2渦(wo)輪流量計(ji)系統設計(jì)
　　系統主要(yào)由數據采(cai)集模塊、電(diàn)源模塊、鍵(jian)盤顯示模(mó)塊🔞、頻率輸(shū)💛出模塊、通(tōng)訊模塊等(deng)組成。如圖(tu)2所示,系統(tong)采集數據(jù)并經過A/D轉(zhuan)換成數字(zi)量進行存(cún)儲、顯示和(hé)傳輸。
　　考慮(lü)到實際應(ying)用,在硬件(jian)選擇方面(miàn)盡可能保(bǎo)證性能的(de)情況🍉”下多(duo)選擇低功(gong)耗芯片。微(wei)控單元選(xuan)用MSP430F149單片機(ji)🐪,它具有良(liang)好的通.用(yong)📱性和可擴(kuò)展性.并且(qiě)屬于☁️超低(di)功耗微處(chu)🚶理器。
 
4通信(xin)系統軟件(jian)設計
4.1軟件(jiàn)編程思路(lù)
　　上位機軟(ruǎn)件在計算(suàn)機上進行(háng)編寫,計算(suàn)機的标準(zhun)配❄️置中通(tōng)常隻有RS-232通(tōng)信接口,可(kě)以通過很(hěn)多标準控(kòng)件完成RS-232的(de)💛數據通信(xin)。本次設計(jì)選用C#語言(yán)中的serialport控件(jiàn)在VS2012編程環(huan)境下完成(chéng)基于MODBUS-ASCII協議(yì)的上位機(ji)通信軟件(jian)的設計。
　　serialport控(kong)件按照接(jie)收數據方(fang)式分爲事(shi)件驅動方(fāng)式和同步(bù)接收方🐇式(shi)。由于該上(shang)位機軟件(jiàn)需要處理(li)的接收.上(shàng)來的數據(jù)非常多,考(kǎo)慮🈲到事件(jian)驅動方式(shi)需要大量(liang)的代🔴碼去(qu)分析接收(shou).上來的數(shu)據屬✌️于.上(shang)位機監❓測(cè)的哪部分(fèn)數據,因此(cǐ),本設計采(cai)用同步💔接(jiē)收方式⭐去(qù)處理接收(shōu)的數據。數(shu)據處理流(liú)程圖如圖(tú)3。
 
4.2軟件仿真(zhēn)
(1)仿真環境(jing)搭建
　　仿真(zhēn)在一台電(diàn)腦上面完(wán)成,需要兩(liang)條USB轉串口(kou)線,并把1号(hao)串💔口上的(de)2針接2号串(chuàn)口上的3針(zhēn),1号串口上(shang)的3針接2号(hào)串口，上的(de)🙇‍♀️2針，然📐後兩(liǎng)個串口的(de)5針(接地端(duān))互相連接(jie)即可。
(2)仿真(zhēn)軟件
　　爲了(le)确保編程(chéng)的MODBUS-ASCII協議标(biao)準(稍作改(gai)動便可供(gòng)其他标準(zhǔn)渦輪流量(liang)計使用)正(zheng)确可行,選(xuǎn)用MODBUSSlave軟件進(jìn)行仿真。MODBUSSlave是(shi)MODBUS子設備模(mo)拟工具,幫(bang)🙇🏻助MODBUS通訊設(she)備開發人(ren)員進行MODBUS通(tong)訊協議的(de)🥵模拟和測(cè)試,用🧡于模(mó)拟、測試、調(diào)試MODBUS通訊設(shè)備。可以在(zai)32個窗口中(zhōng)模拟多達(dá)32個MODBUS子設備(bei)!與MODBUSPoll的用戶(hù)界面相✨同(tong),支持功能(néng)碼:01,02,03,04,05,06,15,16,22和23,監視(shi)串♌口數據(jù)。
(3).上位機功(gong)能
　　根據MODBUS--ASCII協(xie)議,本.上位(wei)機完成的(de)功能有:
“01”---讀(dú)取連續的(de)布爾參數(shu)值(0/1);
“03”---讀取保(bǎo)存的儀表(biao)各項參數(shù)值(Hex;)
“04”---讀取儀(yi)表瞬時測(cè)量輸出值(zhi)(Hex);
“0F"---寫多個連(lian)續的布爾(ěr)參數值(0/1);
“10”--寫(xie)多個連續(xu)的寄存器(qì)參數值(Hex)。
　　通(tong)過利用MODBUSSlave軟(ruan)件進行仿(pang)真測試上(shàng)位機軟件(jian)。由于定🐪時(shí)讀取下位(wèi)💔保持機寄(ji)存器的數(shu)據是.MODBUS協議(yì)中代表性(xìng)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼功能,因(yin)此🏃在這🌍裏(li)隻演示03功(gōng)能仿真,仿(páng)真結果如(rú)下。
　　功能碼(mǎ)03爲定時讀(dú)取下位機(ji)中已經存(cún)儲數據的(de)功能,每隔(ge)一定的時(shi)間将會從(cóng)下位機讀(du)取一次數(shu)據,如果沒(mei)有讀到将(jiāng)會連續嘗(chang)試5次,如果(guǒ)5次讀取都(dōu)沒有結果(guǒ)則認定連(lian)接斷開,用(yong)戶可以再(zài)次點擊開(kai)始按鈕再(zài)次🈲讀取下(xia)位👣機數據(ju)。
 
　　圖4爲Wince系統(tong)的觸摸屏(píng)和電腦上(shang)MODBUS.Slave軟件仿真(zhēn)合照。圖5是(shi)在Wince系統.上(shàng)運行上位(wèi)機軟件。單(dan)個寄存器(qi)隻能存儲(chǔ)2個字節的(de)數據，因此(cǐ)對于🔱大的(de)數據來說(shuō)需要多個(ge)寄存器來(lai)存儲。對于(yú)由💜單個寄(jì)存器存🍓儲(chǔ)的數據,如(ru)30002寄存器存(cún)儲的爲瞬(shun)時流量的(de)值,由于精(jīng)度問題,當(dāng).上位機接(jiē)收到瞬時(shi)流量的數(shu)據時将👉會(huì)除以10則會(hui)得到43.2。而對(duì)于大的數(shù)據,如30004和30005存(cún)儲的是總(zǒng)累積流量(liàng)的數據,如(ru)圖4,轉換的(de)順序是:當(dāng)，上位機讀(dú)取30004和30005的數(shu)據時,數據(ju)存儲爲002B0020(2B和(he)20分别爲43和(he)32的16進制表(biǎo)示),然後再(zai)将002B0020轉換成(cheng)10進制,最後(hou)除以10取得(de)精度，最終(zhong)得到281808。其他(ta)數據的計(ji)算方式可(ke)參照以.上(shàng)兩種。
5結束(shù)語
　　本系統(tong)主要由上(shang)位機、渦輪(lun)流量計、無(wú)線收發模(mó)塊.等幾個(ge)❓部分組成(chéng)。下位機采(cai)用C語言在(zài)MSP430F149上編程，上(shàng)位機采用(yong)C#語言在VS2012環(huán)境下編程(cheng)，上位機與(yǔ)下位機之(zhī)間💔采用RS-485進(jìn)行通信，設(she)計并編寫(xie)基于MODBUS-ASCII協議(yi)的通信應(yīng)用軟件。通(tōng)過仿真實(shí)驗表明上(shang)位機完全(quán)按照MODBUSASCII協議(yi)編🔞寫并能(néng)夠通信成(chéng)功，下位機(ji)采集到的(de)🏒數據可以(yi)通過自身(shēn)的顯示模(mó)塊以及上(shang)位機窗口(kou)同時顯示(shi),并且可以(yi)保🥰存到下(xia)位機外🐇擴(kuò)ROM中。本系統(tǒng)具有良好(hǎo)的可擴展(zhǎn)性,通過簡(jiǎn)單🌏改寫最(zuì)多可以拓(tuo)展到32個子(zǐ)設備的流(liú)量等數據(jù)的監⭐測,對(dui)降低生産(chǎn)運營成♍本(ben)有🛀重大意(yi)義。

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