摘要:渦輪(lun)流量計 是采用(yòng)超低功耗單片(pian)微機渦輪流量(liàng)傳感器與顯示(shi)計算一體化的(de)新型智能儀表(biǎo)。文章針對流量(liang)計控制的實際(ji)要求,基于MODBUS協議(yi)的計量數據的(de)通信系統。渦輪(lun)流量計(下位機(jī))MSP430單片機實現數(shu)據的采集及存(cún)儲。上位🌈機程序(xu)是通過VisualStudio2012利用C#語(yu)言編寫的基于(yu)MODBUS協議的Windows應用程(cheng)序。把，上位機程(chéng)序移植到嵌入(rù)式系統🔱中,上下(xia)位機通過無線(xiàn)射頻技術實現(xiàn)通信，完成了對(dui)流量計的遠程(cheng)控制以及計量(liàng)數據的遠程采(cai)集與顯示。
　　渦輪(lun)流量計屬于速(sù)度式流量計，也(ye)被稱爲葉輪式(shì)流量計。渦輪流(liú)量計是利用置(zhì)于流體中的葉(yè)輪的旋轉角速(su)度與流體流速(sù)成比例的關系(xi),通過測量葉輪(lún)的轉速來反映(ying)通過管道✉️的流(liú)體體積流量的(de)大小，是目前流(liú)量儀表中比較(jiào)成熟的準确度(dù)儀表。　　随着工業(yè)的發展以及計(jì)算機網絡的🐕日(ri)趨完善,利用計(jì)算機作爲上位(wei)機與渦輪流量(liang)計進行通✌️信已(yi)經是企事✏️業單(dan)位計量數據管(guǎn)理的大趨勢。渦(wō)輪流量計的通(tong)信系統是🍉渦輪(lún)流量計的重要(yào)組成部分。雖然(ran)渦輪流量計已(yi)經提供了瞬時(shí)流量、累積流量(liang)、溫度、壓力等信(xìn)息的采集,但是(shi)目前這些數據(ju)的讀🔴取需要靠(kao)人工進行現場(chang)🈲抄表。原始的人(rén)工抄表方💜式既(ji)耗費大量的人(ren)力物力,又無法(fǎ)避免手工抄寫(xiě)和計算帶🈚來的(de)誤差，且對數據(jù)的分析處理也(yě)嚴重滞後,不利(lì)于及時發現問(wèn)題、解決問題。因(yīn)此,這種數🔴據讀(du)取方式具有易(yì)出錯、工作量大(da)、正确率低等缺(quē)點。而且渦輪流(liú)量計大多♻️安裝(zhuang)在一些危🈲險的(de)且無👨‍❤️‍👨人看守的(de)工作現場的密(mì)封管中,人工抄(chāo)表難度大。
　　爲了(le)解決這些問題(ti),本課題在Windows平台(tái)下利用VisualStudio2012編寫監(jian)控程序🔞并♌移植(zhí)到嵌入式系統(tong)下，通過射頻技(ji)術與下位🔴機進(jin)行無線通🐇信,通(tong)過監控程序的(de)無線控制能夠(gou)實現渦輪流量(liàng)計的開關、各種(zhong)流✍️量計參數的(de)💚設定以及将采(cǎi)集到的數據傳(chuan)輸到嵌入式主(zhǔ)闆進🈚行顯示。
1系(xi)統總體方案
　　基(ji)于MODBUS協議的渦輪(lun)流量計通信系(xi)統主要由上位(wèi)機和渦😍輪♻️流量(liàng)計(下位機)通信(xìn)部分組成。本設(shè)計主要完成上(shang)位機部分。基于(yú)MODBUS協議編寫上位(wèi)機程序并移⛱️植(zhi)到嵌入式系統(tong)中，主要完成的(de)任務有:上位機(jī)通過無線射頻(pin)技術完成了對(dui)渦輪流量計(下(xià)位機)的⁉️參數配(pèi)置并🏃‍♀️控制下位(wei)機完成對現場(chang)流量、溫度、壓🐆力(lì)等數據的👨‍❤️‍👨自動(dong)采集與顯示。
2MODBUS協(xie)議
2.1MODBUS協議簡介
　　MODBUS規(gui)約是MODICOM公司開發(fa)的一個爲很多(duō)廠商支持的開(kāi)放規約，MODBUS協議是(shì)應用于電子控(kong)制器上的一種(zhong)通用語🛀言。通過(guo)此協議📱,控制器(qì)相互之間、控制(zhi)器經由網絡(例(li)如以❗太網)和其(qí)它設備之間可(kě)以通🤞信。MODBUS協議已(yi)經成爲一個通(tong)用:工業标準,有(yǒu)了它不同廠⁉️商(shang)生産的控制設(shè)備可以連成工(gōng)業網絡進行集(ji)中監控。此協☂️議(yi)定義了一個🔴控(kòng)制器能認識使(shǐ)用的消息結構(gou),而🔴不管它們🧡是(shi)經過何種網絡(luò)進:行通信的。它(ta)描述了控制器(qì)請求訪問其它(tā)設備的過.程，如(ru)🔞何回應來自其(qí)它設備🔴的請求(qiú),以及📱怎樣偵測(ce)錯誤并記錄。它(tā)制🏃定了消息域(yu)格局和内容的(de)公共格式。
　　MODBUS協議(yi)包括RTU和ASCII等,并沒(méi)有規定物理層(ceng)。此協議的數據(ju)通信采用了🈲主(zhǔ)/從方式,即主設(shè)備端發出信息(xī)請求,從設備端(duan)接收✍️到正确的(de)🎯信息後就會返(fan)回數據到🏒主設(shè)備🌈端完成響應(yīng);同時主設備端(duān)也.可以發消息(xi)直接修改從設(shè)備端🏒的數據,實(shi)現了雙向的讀(dú)寫。
2.2MODBUS協議格式
　　MODBUS協(xié)議主要分爲兩(liǎng)種傳輸模式:RTU模(mo)式和ASCII模式。根據(ju)需🍓求可以自👄行(hang)選擇使用何種(zhǒng)模式，包括串口(kou)通信的參數(端(duān)口号、波特率🚶、校(xiào)驗🐪方式等)。在配(pèi)置控制器的時(shí)候,同一個MODBUS網絡(luò)上的💛所有設👣備(bèi)都必須選擇相(xiàng)同的協議格式(shì)和串口參數。當(dāng)控制器設在MODBUS網(wang)絡上并🌈以ASCII模式(shì)通信♻️時，字符發(fā)送時間間隔可(ke)達1s而不産生🔞錯(cuo)誤,而且由于ASCII格(gé)式擁有開始和(he)結束标志,因此(cǐ)ASCII協議的程序對(duì)數據包的處理(li)能更加方便直(zhí)觀,更加容♍易調(diao)試。這是流量計(jì)的通信系統選(xuan)擇ASCII協議作爲通(tong)信格式的原因(yin)。
2.3ASCII模式
　　當控制器(qì)設爲在MODBUS網絡上(shàng)以ASCII(美國标準信(xin)息交換代🔱碼)模(mó)‼️式通信💰,消息中(zhōng)每8Bit的字節都作(zuò)爲兩個ASCII字符發(fa)送。這✏️種方式的(de)主要優點🛀🏻是字(zi)符發送的時間(jian)間隔可達到1s而(er)不産✏️生錯誤。ASCII模(mo)式的🔞消息幀的(de)構成如表✊1。
 
　　消息(xī)幀的地址域包(bāo)含兩個字符(ASCII)或(huo)8Bit(RTU)。可能的從設備(bei)地🥰址0...247(十進制)。單(dan)個設備的地址(zhi)範圍是1...247。主設備(bèi)通過将要聯絡(luo)的從設備㊙️的地(di)址放入消息中(zhong)的地址域來選(xuǎn)通🧑🏾‍🤝‍🧑🏼從設備。當從(cong)設備發送🏃回應(yīng)消息時，它把自(zì)己的地址♍放入(rù)回應的地址域(yu)中,以便主設備(bèi)知道是哪一個(gè)設備作出回應(ying)。地址0用作廣播(bō)地址，以使所有(yǒu)的從設🐆備都能(néng)認識。當MODBUS協議用(yòng)于水準高✌️的網(wang)❄️絡,廣播可能不(bu)允⭕許或以其它(tā)方式代替。
3通信(xin)系統硬件設計(jì)
3.1通信系統硬件(jian)設計方案
　　通信(xin)系統的硬件設(she)計方案如圖1所(suo)示。
 
　　上位機選用(yòng)嵌入式開發闆(pǎn)EM9280,它是一款面向(xiàng)工業自動化領(ling)域的嵌入式主(zhǔ)闆産品,其内核(he)CPU爲工業級品質(zhì)的i.MX283,系統已預裝(zhuang)正版WindowCE6.0實時多任(ren)務操作系統。此(ci)外,EM9280體積小🔅,易攜(xié)帶,可以方📧便地(dì)帶到工業🧑🏽‍🤝‍🧑🏻控制(zhì)現場,方便工作(zuo)人❓員的操作。
　　EM9280的(de)标準配置中有(yǒu)RS-485通信接口,而标(biao).準的MODBUS物理層就(jiù)采用了RS-485串行通(tong)信标準,通過485總(zong)線可以将通信(xin)數據發送給無(wú)線射頻模塊,并(bìng)通過射頻信号(hào)将數據發送給(gei)下位機端射頻(pín)模塊，最後再通(tong)過485總線傳送給(gěi)渦輪流量計💃，完(wán)成數據的傳輸(shū)。
　　無線射頻模塊(kuai)采用PTR2000,無線收發(fa)一體數傳MODEM模塊(kuài)PTR2000芯片❌性能優異(yì),在業界居領先(xian)水平,它的顯著(zhe)特點是所需的(de)外圍👅元件少,因(yin)而設👌計非常方(fāng)便。該模塊在内(nèi)👈部集成了高頻(pín)發射、高頻接收(shou)、PLL合成、FSK調制/解調(diao)、參量放大、功率(lü)放大、頻道:切換(huàn)等功能,因此是(shi)目前集成度較(jiào)高的無線數傳(chuan)産品。該器件采(cai)用了抗幹擾能(néng)力較強的FSK調㊙️制(zhì)/解調方式,其工(gōng)作頻率穩定可(ke)靠。它是目前低(dī)功率無線傳輸(shu)的理想選擇。
3.2渦(wo)輪流量計系統(tǒng)設計
　　系統主要(yao)由數據采集模(mó)塊、電源模塊、鍵(jian)盤顯示模塊、頻(pin)率輸✌️出模塊、通(tōng)訊模塊等組成(cheng)。如圖2所示,系統(tong)采集數據并經(jing)過A/D轉換成數字(zì)量進行存儲、顯(xiǎn)示和傳輸。
　　考慮(lü)到實際應用,在(zai)硬件選擇方面(mian)盡可能保證性(xìng)📞能的情況👌”下🔴多(duo)選擇低功耗芯(xin)片。微控單元選(xuan)用MSP430F149單片機,它具(jù)有良♉好的通.用(yòng)性和可擴展性(xìng).并且屬于超低(di)功耗微處理器(qi)。
 
4通信系統軟件(jiàn)設計
4.1軟件編程(cheng)思路
　　上位機軟(ruan)件在計算機上(shang)進行編寫,計算(suan)機的标準配置(zhì)中通常隻有RS-232通(tong)信接口,可以通(tong)過很多标準控(kòng)件完成RS-232的數據(jù)通信。本次設計(ji)選用C#語言中的(de)serialport控件在VS2012編程環(huan)境下完成基于(yu)MODBUS-ASCII協議的上位🈲機(ji)通信軟件的設(shè)計。
　　serialport控件按照接(jiē)收數據方式分(fèn)爲事件驅動方(fang)式和同步接收(shōu)方式。由于該上(shang)位機軟件需要(yào)處理的接收.上(shàng)來❓的數據非常(chang)多🧡,考慮到事件(jian)驅動方式需要(yào)大量的代碼去(qù)分析接收🏃‍♂️.上來(lái)的數據屬于.上(shang)位機監測的哪(na)部分數據,因此(cǐ),本設計采用同(tóng)步接收方式🥵去(qù)處理接收的數(shù)據。數據處理流(liú)程圖如圖3。
 
4.2軟件(jiàn)仿真
(1)仿真環境(jìng)搭建
　　仿真在一(yī)台電腦上面完(wán)成,需要兩條USB轉(zhuan)串口線,并把1号(hao)串口✏️上🌐的2針接(jiē)2号串口上的3針(zhēn),1号串口上的3針(zhēn)接2号♍串口，上的(de)2針，然後兩個串(chuan)口的5針(接地端(duan))互相連接即👌可(kě)。
(2)仿真軟件
　　爲了(le)确保編程的MODBUS-ASCII協(xié)議标準(稍作改(gai)動便可供其他(ta)标準🔞渦⛱️輪流量(liang)計使用)正确可(ke)行,選用MODBUSSlave軟件進(jin)行仿真。MODBUSSlave是MODBUS子設(shè)備模拟工具,幫(bang)助MODBUS通訊設備開(kai)發人員進行MODBUS通(tōng)訊協議的模拟(ni)和❤️測試,用于模(mo)拟、測試、調試MODBUS通(tōng)訊設備。可以在(zai)32個窗🈲口中模拟(ni)多達32個MODBUS子♊設備(bèi)!與MODBUSPoll的用戶界面(miàn)相同,支持功能(néng)碼:01,02,03,04,05,06,15,16,22和23,監視串口(kǒu)數據。
(3).上位機功(gong)能
　　根據MODBUS--ASCII協議,本(běn).上位機完成的(de)功能有:
“01”---讀取連(lian)續的布爾參數(shù)值(0/1);
“03”---讀取保存的(de)儀表各項參數(shu)值(Hex;)
“04”---讀取儀表瞬(shùn)時測量輸出值(zhí)(Hex);
“0F"---寫多個連續的(de)布爾參數值(0/1);
“10”--寫(xie)多個連續的寄(jì)存器參數值(Hex)。
　　通(tong)過利用MODBUSSlave軟件進(jìn)行仿真測試上(shàng)位機軟件。由于(yu)定時讀取🔞下位(wèi)保持機寄存器(qi)的數據是.MODBUS協議(yì)中代表性的♈功(gōng)能👄,因此在這裏(li)隻演示03功能仿(pang)真,仿真結果如(ru)下。
　　功能碼03爲定(ding)時讀取下位機(ji)中已經存儲數(shù)據的功能,每隔(ge)一定的時間将(jiang)會從下位機讀(du)取一次數據,如(rú)果沒有讀到将(jiāng)會連續嘗試5次(cì),如果5次讀取都(dōu)沒有結果則認(ren)定連接斷開,用(yong)戶可以再次點(dian)擊開始💛按鈕再(zai)次讀取下位機(jī)數據。
 
　　圖4爲Wince系統(tong)的觸摸屏和電(diàn)腦上MODBUS.Slave軟件仿真(zhen)合照。圖5是在Wince系(xì)統.上⁉️運♻️行上位(wèi)機軟件。單個寄(jì)存器隻能存儲(chǔ)2個字節的數據(ju)，因此對于大的(de)數據來說需要(yao)多個寄存器來(lái)存儲。對于由單(dān)個寄存器存儲(chǔ)的數據,如30002寄存(cun)器存儲的爲瞬(shùn)時流量的🈲值,由(you)于精⛷️度問題,當(dāng).上位機接收到(dao)瞬時流量的數(shu)據時将會除以(yi)10則會得到43.2。而對(duì)于❄️大的數據,如(rú)30004和30005存👄儲的是總(zong)累積流量的數(shù)據,如圖4,轉換🏃‍♀️的(de)順序是:當，上位(wei)機讀取30004和30005的數(shu)據時,數據存儲(chu)爲002B0020(2B和🔅20分别爲43和(hé)32的16進制表示),然(rán)後再将002B0020轉換成(cheng)10進制,最後除以(yi)10取得精度，最終(zhong)得到281808。其他數據(jù)的計算方式可(kě)參照以.上兩種(zhong)。
5結束語
　　本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、渦輪流量計、無(wú)線收發模塊.等(děng)⭕幾個部分組成(cheng)。下位機采用C語(yu)言在MSP430F149上編程，上(shàng)位機采用C#語言(yán)在VS2012環境下編程(chéng)，上位機與下位(wèi)機之間采用RS-485進(jin)行通信，設計并(bìng)編寫基于MODBUS-ASCII協議(yì)的通信應用軟(ruǎn)件。通過仿真實(shi)驗🏃表明上位機(jī)完全按照MODBUSASCII協議(yì)編寫并能夠通(tong)信成功，下位機(ji)采集到的數據(jù)可以通過自身(shēn)的顯示🐆模塊以(yǐ)及上位機窗口(kǒu)同時顯示,并且(qie)可以保存到下(xià)🔱位機外擴ROM中。本(ben)系統具有良好(hao)的可擴展性,通(tong)過簡單改寫最(zuì)多可以拓展到(dao)32個子設🔱備的流(liú)量㊙️等數據的監(jiān)測,對降🐆低生産(chan)運營成本有🏃‍♀️重(zhòng)大意義。

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