摘要(yao):渦輪流量(liang)計 是采用(yong)超低功耗(hao)單片微機(ji)渦輪流量(liang)傳感器與(yu)顯⛷️示計算(suan)一體化的(de)新型智能(neng)儀表。文章(zhang)針對流量(liang)計控制的(de)實🈲際要求(qiu),基于MODBUS協議(yi)的計量數(shu)據的通信(xin)系統。渦輪(lun)流量計(下(xia)位機)MSP430單片(pian)機實現數(shu)據的采集(ji)及存儲。上(shang)位機程序(xu)是通過VisualStudio2012利(li)用C#語言編(bian)寫的基于(yu)MODBUS協議的Windows應(ying)用程序。把(ba)，上位機程(cheng)序移植到(dao)嵌入式系(xi)統中,上下(xia)位機通過(guo)無線射頻(pin)技術實現(xian)通信，完成(cheng)了對流量(liang)計🌍的遠程(cheng)控制以及(ji)計量數據(ju)的遠程采(cai)集與顯示(shi)。
　　渦輪流量(liang)計屬于速(su)度式流量(liang)計，也被稱(cheng)爲葉輪式(shi)流量計🥵。渦(wo)輪流量計(ji)是利用置(zhi)于流體中(zhong)的葉輪的(de)❄️旋轉角速(su)度與流體(ti)流速成比(bi)例的關系(xi),通過測量(liang)葉輪的轉(zhuan)速來反映(ying)通過管道(dao)的流體體(ti)積流量的(de)大小，是目(mu)前流量儀(yi)表中比較(jiao)♻️成熟的準(zhun)确度儀表(biao)🔞。　　随着工業(ye)的發展以(yi)及計㊙️算機(ji)網絡的日(ri)趨完善,利(li)用計算機(ji)作爲上位(wei)機與渦輪(lun)流量計進(jin)行通信已(yi)經是企事(shi)🚶‍♀️業單位計(ji)量數據管(guan)理的大趨(qu)勢。渦輪流(liu)量計的通(tong)信系統是(shi)渦輪流量(liang)計的重🌈要(yao)組成部分(fen)。雖然渦輪(lun)流量計已(yi)經提供了(le)🧡瞬時流量(liang)、累積流量(liang)、溫度、壓力(li)等信息的(de)采集,但是(shi)目前這些(xie)數據的讀(du)☎️取需要靠(kao)人工進行(hang)現場😍抄⛹🏻‍♀️表(biao)。原始的人(ren)工抄表方(fang)🐆式既耗費(fei)大量的人(ren)力物力,又(you)無法避免(mian)手工抄寫(xie)和計算帶(dai)來的誤差(cha)，且對數據(ju)的分析處(chu)理也嚴重(zhong)滞後,不利(li)于及時發(fa)現問題、解(jie)決問👣題。因(yin)此,這種數(shu)據讀取方(fang)式具有易(yi)出錯、工作(zuo)量大、正确(que)率低等缺(que)🈚點。而⭐且渦(wo)輪流量計(ji)大多安裝(zhuang)在一些危(wei)險的且無(wu)人看守的(de)工作現場(chang)的密封管(guan)中,人工抄(chao)表難度大(da)🔆。
　　爲了解決(jue)這些問題(ti),本課題在(zai)Windows平台下利(li)用VisualStudio2012編寫監(jian)控程序并(bing)移植到嵌(qian)入式系統(tong)下，通過射(she)頻技術與(yu)下位🆚機進(jin)行無線通(tong)信,通過監(jian)控程序的(de)無線控制(zhi)能夠實現(xian)渦輪流量(liang)計的開關(guan)、各種流🏃🏻‍♂️量(liang)計參數的(de)設定以及(ji)将采集到(dao)的數據傳(chuan)輸到嵌入(ru)👈式主闆進(jin)行顯示。
1系(xi)統總體方(fang)案
　　基于MODBUS協(xie)議的渦輪(lun)流量計通(tong)信系統主(zhu)要由上位(wei)機和渦輪(lun)流量計(下(xia)位機)通信(xin)部分組成(cheng)。本設計主(zhu)要完成上(shang)位機部分(fen)。基😄于MODBUS協議(yi)編寫上位(wei)機程序并(bing)移植到嵌(qian)❌入式系統(tong)中，主要完(wan)成的任務(wu)有:上位機(ji)通過無線(xian)射頻技術(shu)完😄成了對(dui)渦輪流量(liang)計(下位機(ji))的參數配(pei)置并控制(zhi)下位機完(wan)成對現場(chang)流量、溫度(du)、壓力等數(shu)據的自動(dong)采集與顯(xian)示。
2MODBUS協議
2.1MODBUS協(xie)議簡介
　　MODBUS規(gui)約是MODICOM公司(si)開發的一(yi)個爲很多(duo)廠商支持(chi)的開放規(gui)約，MODBUS協議🛀是(shi)應用于電(dian)子控制器(qi)上的一種(zhong)通用語言(yan)。通過此🙇‍♀️協(xie)議,控制器(qi)相互之間(jian)、控制器經(jing)由網絡(例(li)如以太網(wang))和其它設(she)備之間可(ke)以通信。MODBUS協(xie)議已經成(cheng)爲一個通(tong)用:工業🈲标(biao)準,有了它(ta)不同廠商(shang)生産的🤞控(kong)制設備可(ke)以連成工(gong)業網絡進(jin)行集中監(jian)控。此協議(yi)定義了一(yi)個控制器(qi)能認識使(shi)用的消息(xi)結構,而🍓不(bu)管它們是(shi)經過何種(zhong)網絡進:行(hang)通信的。它(ta)描述了🔞控(kong)制器請求(qiu)訪問其🔴它(ta)設備的過(guo).程，如何回(hui)應來自其(qi)它設備㊙️的(de)請求,以及(ji)怎樣偵測(ce)錯誤并記(ji)錄。它制定(ding)了消息域(yu)格局和内(nei)容的公共(gong)格式。
　　MODBUS協議(yi)包括RTU和ASCII等(deng),并沒有規(gui)定物理層(ceng)。此協議的(de)數據通信(xin)采用了主(zhu)/從方式,即(ji)主設備端(duan)發出信息(xi)請求♌,從設(she)備端接收(shou)到正📧确的(de)信息後就(jiu)會返回數(shu)據到主設(she)備端完成(cheng)響應;同時(shi)主設🈲備端(duan)也.可以發(fa)消息直接(jie)修改從設(she)備端的數(shu)據,實現了(le)雙向的讀(du)寫。
2.2MODBUS協議格(ge)式
　　MODBUS協議主(zhu)要分爲兩(liang)種傳輸模(mo)式:RTU模式和(he)ASCII模式。根據(ju)需求可以(yi)自行選擇(ze)使用何種(zhong)模式，包括(kuo)串口通信(xin)的參數(端(duan)口📧号、波特(te)率、校驗方(fang)式等)。在配(pei)置控制器(qi)的㊙️時候,同(tong)一個MODBUS網絡(luo)上的所有(you)設備都必(bi)✉️須選擇相(xiang)同的協議(yi)格式和串(chuan)口參數。當(dang)控😘制器設(she)在MODBUS網絡上(shang)并☁️以ASCII模式(shi)通信時，字(zi)符發送🈲時(shi)間間隔可(ke)達1s而不産(chan)生錯誤,而(er)且由🌈于ASCII格(ge)式擁有開(kai)始和結束(shu)标志,因💔此(ci)ASCII協議的程(cheng)序對數據(ju)包的處理(li)能更加方(fang)便直觀,更(geng)加🔱容易調(diao)試。這是流(liu)量計的通(tong)信系統選(xuan)擇ASCII協議作(zuo)爲通信格(ge)式的原因(yin)。
2.3ASCII模式
　　當控(kong)制器設爲(wei)在MODBUS網絡上(shang)以ASCII(美國标(biao)準信息交(jiao)換代碼)模(mo)❌式通信,消(xiao)息中每8Bit的(de)字節都作(zuo)爲兩個ASCII字(zi)符發送。這(zhe)種方式的(de)主要⚽優點(dian)是字符發(fa)送的時間(jian)間隔可達(da)到🔱1s而不産(chan)🛀生錯誤。ASCII模(mo)式的消息(xi)幀的構成(cheng)如表1。
 
　　消息(xi)幀的地址(zhi)域包含兩(liang)個字符(ASCII)或(huo)8Bit(RTU)。可能的從(cong)設備地❌址(zhi)0...247(十進制)。單(dan)個設備的(de)地址範圍(wei)是1...247。主設備(bei)通過🎯将要(yao)聯絡的從(cong)設備的地(di)址放入消(xiao)息中的地(di)址域來選(xuan)通從設備(bei)。當從設🔆備(bei)發送回應(ying)消🚩息時，它(ta)把自己的(de)地址⛱️放入(ru)回應的地(di)址域中,以(yi)便主🌐設備(bei)知道💋是哪(na)一個設備(bei)作出回應(ying)🆚。地址0用作(zuo)廣播地址(zhi)，以使所有(you)的從設備(bei)✨都能認識(shi)。當MODBUS協🐕議用(yong)于水準高(gao)💃🏻的網絡,廣(guang)播可👉能不(bu)允許或以(yi)⛷️其它方式(shi)代替。
3通信(xin)系統硬件(jian)設計
3.1通信(xin)系統硬件(jian)設計方案(an)
　　通信系統(tong)的硬件設(she)計方案如(ru)圖1所示。
 
　　上(shang)位機選用(yong)嵌入式開(kai)發闆EM9280,它是(shi)一款面向(xiang)工業自動(dong)化❗領🏃🏻‍♂️域的(de)嵌入式主(zhu)闆産品,其(qi)内核CPU爲工(gong)業級品🌂質(zhi)的i.MX283,系統已(yi)預裝正版(ban)WindowCE6.0實時多任(ren)務操作系(xi)統。此外,EM9280體(ti)積小,易攜(xie)帶,可以方(fang)便地帶㊙️到(dao)工業控制(zhi)現場,方便(bian)工作人員(yuan)的操作✨。
　　EM9280的(de)标準配置(zhi)中有RS-485通信(xin)接口,而标(biao).準的MODBUS物理(li)層就采用(yong)了RS-485串😍行通(tong)信标準,通(tong)過485總線可(ke)以将通信(xin)數據發送(song)給無線🐅射(she)頻模塊⛱️,并(bing)通⭕過射頻(pin)信号将數(shu)據發送給(gei)下位機端(duan)射頻模塊(kuai)㊙️，最後再📞通(tong)過485總線傳(chuan)送給渦輪(lun)流量計🧡，完(wan)成數據的(de)傳輸。
　　無線(xian)射頻模塊(kuai)采用PTR2000,無線(xian)收發一體(ti)數傳MODEM模塊(kuai)PTR2000芯片性能(neng)👨‍❤️‍👨優異,在🐇業(ye)界居領先(xian)水平,它的(de)顯著特點(dian)是所🔆需的(de)外圍🤟元件(jian)🔴少,因而設(she)計非常方(fang)便。該模塊(kuai)在内🛀🏻部集(ji)成了高頻(pin)發射、高頻(pin)接收、PLL合成(cheng)、FSK調💚制/解調(diao)、參量放大(da)、功率放大(da)、頻道:切換(huan)等功能,因(yin)此是目前(qian)集成度較(jiao)高的無👅線(xian)數傳産品(pin)。該器件采(cai)用了抗幹(gan)擾能🔞力較(jiao)強的FSK調制(zhi)/解調方式(shi),其工作頻(pin)率穩定可(ke)靠。它❄️是目(mu)前低功率(lü)無線傳輸(shu)的理想選(xuan)擇。
3.2渦輪流(liu)量計系統(tong)設計
　　系統(tong)主要由數(shu)據采集模(mo)塊、電源模(mo)塊、鍵盤顯(xian)示模塊👅、頻(pin)👄率輸出模(mo)塊、通訊模(mo)塊等組成(cheng)。如圖2所示(shi),系統采集(ji)數據并經(jing)過A/D轉換成(cheng)數字量進(jin)行存儲、顯(xian)示和傳輸(shu)。
　　考慮到實(shi)際應用,在(zai)硬件選擇(ze)方面盡可(ke)能保證性(xing)能的情況(kuang)”下多選擇(ze)低功耗芯(xin)片。微控單(dan)元選用MSP430F149單(dan)片機,它具(ju)有良好的(de)通.用性和(he)可擴展性(xing).并且屬于(yu)超低功耗(hao)微處理器(qi)。
 
4通信系統(tong)軟件設計(ji)
4.1軟件編程(cheng)思路
　　上位(wei)機軟件在(zai)計算機上(shang)進行編寫(xie),計算機的(de)标準配置(zhi)中通常❤️隻(zhi)有RS-232通信接(jie)口,可以通(tong)過很多标(biao)準控件完(wan)成RS-232的數據(ju)通信。本次(ci)設計選用(yong)C#語言中的(de)serialport控件在VS2012編(bian)程環境下(xia)🔆完成基于(yu)MODBUS-ASCII協議的上(shang)位機通信(xin)軟件的設(she)計。
　　serialport控件按(an)照接收數(shu)據方式分(fen)爲事件驅(qu)動方式和(he)同步接🧡收(shou)方式。由于(yu)該上位機(ji)軟件需要(yao)處理的接(jie)收.上來的(de)數據非常(chang)多👣,考慮到(dao)事件驅動(dong)方式需要(yao)大量的代(dai)碼去分💯析(xi)接收♉.上來(lai)的🐉數據屬(shu)🔞于.上位機(ji)監測的哪(na)部分數據(ju),因此,本設(she)計💔采用同(tong)步接收方(fang)式🔴去處理(li)接收的數(shu)據。數據處(chu)理流程圖(tu)如圖3。
 
4.2軟件(jian)仿真
(1)仿真(zhen)環境搭建(jian)
　　仿真在一(yi)台電腦上(shang)面完成,需(xu)要兩條USB轉(zhuan)串口線,并(bing)把1号串口(kou)上的2針接(jie)2号串口上(shang)的3針,1号串(chuan)口上的3針(zhen)接2号💜串口(kou)，上的2針，然(ran)後兩個串(chuan)口的5針(接(jie)地端)互相(xiang)連接即可(ke)。
(2)仿真軟件(jian)
　　爲了确保(bao)編程的MODBUS-ASCII協(xie)議标準(稍(shao)作改動便(bian)可供其他(ta)标準渦輪(lun)流量計使(shi)用)正确可(ke)行,選用MODBUSSlave軟(ruan)件進行仿(pang)真。MODBUSSlave是MODBUS子設(she)備模拟工(gong)具,幫助MODBUS通(tong)訊設備開(kai)發人員進(jin)😄行MODBUS通訊協(xie)議的模拟(ni)和測試,用(yong)于模拟、測(ce)試、調試MODBUS通(tong)訊設備。可(ke)以在32個窗(chuang)口中模拟(ni)多達32個MODBUS子(zi)🌈設備!與MODBUSPoll的(de)用戶界面(mian)相同,支持(chi)功能碼:01,02,03,04,05,06,15,16,22和(he)23,監視串🚶口(kou)數據。
(3).上位(wei)機功能
　　根(gen)據MODBUS--ASCII協議,本(ben).上位機完(wan)成的功能(neng)有:
“01”---讀取連(lian)續的布爾(er)參數值(0/1);
“03”---讀(du)取保存的(de)儀表各項(xiang)參數值(Hex;)
“04”---讀(du)取儀表瞬(shun)時測量輸(shu)出值(Hex);
“0F"---寫多(duo)個連續的(de)布爾參數(shu)值(0/1);
“10”--寫多個(ge)連續的寄(ji)存器參數(shu)值(Hex)。
　　通過利(li)用MODBUSSlave軟件進(jin)行仿真測(ce)試上位機(ji)軟件。由于(yu)定時讀取(qu)下位保持(chi)機寄存器(qi)的數據是(shi).MODBUS協議中代(dai)表性的功(gong)能,因此在(zai)這裏隻演(yan)示03功能仿(pang)真,仿真結(jie)果如下。
　　功(gong)能碼03爲定(ding)時讀取下(xia)位機中已(yi)經存儲數(shu)據的功能(neng),每隔🌐一定(ding)的時間将(jiang)會從下位(wei)機讀取一(yi)次數據,如(ru)果沒有讀(du)到将會💯連(lian)續嘗試5次(ci),如果5次讀(du)取都沒有(you)結果則認(ren)定🈚連接斷(duan)開,用戶可(ke)以再次點(dian)擊開始按(an)鈕再次讀(du)取下位機(ji)數據。
 
　　圖4爲(wei)Wince系統的觸(chu)摸屏和電(dian)腦上MODBUS.Slave軟件(jian)仿真合照(zhao)。圖5是在Wince系(xi)統😄.上✏️運行(hang)上位機軟(ruan)件。單個寄(ji)存器隻能(neng)存儲🏃🏻‍♂️2個字(zi)節的數據(ju)，因此對于(yu)大的數據(ju)來說需要(yao)多個寄存(cun)器⭐來存儲(chu)🌈。對于由👈單(dan)個寄🏒存器(qi)存儲的數(shu)據,如30002寄存(cun)器存📧儲的(de)爲瞬⭕時流(liu)量的值,由(you)于精度問(wen)題,當💁.上位(wei)機接收到(dao)瞬時流量(liang)♊的數據時(shi)将會除以(yi)10則會得到(dao)43.2。而對于大(da)的數據,如(ru)30004和30005存儲的(de)是總累積(ji)流量的數(shu)據,如圖4,轉(zhuan)換的順序(xu)是:當，上位(wei)機讀取30004和(he)30005的數據時(shi),數據存儲(chu)爲002B0020(2B和❌20分别(bie)爲43和32的16進(jin)制表示),然(ran)後再将002B0020轉(zhuan)換成10進制(zhi),最後除以(yi)10取得精度(du)，最終得到(dao)281808。其他數據(ju)的計算方(fang)式可參照(zhao)以.上兩種(zhong)。
5結束語
　　本(ben)系統主要(yao)由上位機(ji)、渦輪流量(liang)計、無線收(shou)發模塊.等(deng)幾個部分(fen)♈組成。下位(wei)機采用C語(yu)言在MSP430F149上編(bian)程，上位😄機(ji)采用C#語言(yan)在VS2012環境💛下(xia)編程，上位(wei)機與下位(wei)機之間采(cai)用RS-485進♋行通(tong)信，設計并(bing)編寫基于(yu)MODBUS-ASCII協議的通(tong)信應用軟(ruan)件。通過仿(pang)真實驗表(biao)明上位機(ji)完全按💯照(zhao)MODBUSASCII協議編☁️寫(xie)并能夠通(tong)信成功，下(xia)位機采集(ji)到的數據(ju)可以通過(guo)自身的顯(xian)示模塊以(yi)及上位機(ji)窗口同時(shi)顯示,并且(qie)可以保存(cun)到下🍉位機(ji)外擴ROM中。本(ben)系統具有(you)良好的可(ke)👅擴展性,通(tong)過簡單改(gai)寫最多可(ke)以拓展到(dao)32個子設備(bei)的流量⭕等(deng)數據的監(jian)測,對降低(di)生産運營(ying)成🈚本有🈲重(zhong)大意義。

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