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Modbus協(xié)議在金屬管浮子流量計(jì)中的應(yīng)用

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。現(xiàn)場總線作為開放化、數(shù)字化、多點(diǎn)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(xiàng)目。將Modbus通訊協(xié)議移植到金屬管浮子流量計(jì),使得檢測儀表更具智能化和網(wǎng)絡(luò)化,同時(shí)為實(shí)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(shí)現(xiàn)基本功能,取得了預(yù)期的效果。

浮子流量計(jì)是一種經(jīng)典的變面積式流量計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓損小、測量范圍大、運(yùn)行可靠、可測中小流量及低雷諾數(shù)流量、維護(hù)方便、壽命長,對儀表前后直管段長度要求不高等優(yōu)點(diǎn)。 金屬管浮子流量計(jì)可以適應(yīng)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒等多種苛刻環(huán)境,較少的可動部件、便于維護(hù),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(jì),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(jì)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(jì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1是金屬管浮子流量計(jì)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(jìn)行放大濾波后再經(jīng)由 AD 采樣模塊采樣,***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(jì)

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)幀格式為如表所示。

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次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀必須是作為一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。Modbus  RTU 模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是 35 個(gè)字節(jié)通信時(shí)間以上(即起始位和結(jié)束符 T1T2T3T4

CRC 校驗(yàn)是為了防止傳送過程中傳輸錯(cuò)誤,將自己計(jì)算的校驗(yàn)碼與接收的校驗(yàn)碼進(jìn)行對比, 相同則確認(rèn)接收正確繼續(xù)解析報(bào)文,否則接收到的是誤碼并停止解析報(bào)文。

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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Modbus 通訊模塊硬件設(shè)計(jì)圖, 通過 USART  CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

Modbus 模塊通過兩根串口線 RX_485  TX_485  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(jì)

Modbus 通訊模塊功能是實(shí)現(xiàn)流量儀表與主機(jī)或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互,Modbus 模塊的信號是通過 RS485 總線進(jìn)行傳輸,其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。

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程序初始化結(jié)束后, 首先進(jìn)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(shí)間間隔不能小于 30μs,因此在進(jìn)入初始狀態(tài)后會開啟定時(shí)器,30μs 以后進(jìn)入就緒狀態(tài)。 有數(shù)據(jù)傳輸時(shí),進(jìn)入接收狀態(tài),幀數(shù)據(jù)接收完成后進(jìn)入幀解析封裝狀態(tài),若接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)則進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài),封裝后再進(jìn)入發(fā)送狀態(tài), 若數(shù)據(jù)正確則直接完成封裝進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),數(shù)據(jù)發(fā)送完成后則再次進(jìn)入初始狀態(tài)。 Modbus 模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖所示。

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4.系統(tǒng)調(diào)試

Modbus 通訊模塊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證流量儀表能否通過 485 總線實(shí)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(jìn)行通信 ,驗(yàn)證 Modbus 模塊能否實(shí)現(xiàn)正常通訊。  Modbus 模塊與控制臺通信的電路連接圖。

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為驗(yàn)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。 為通過 Modbus 調(diào)試助手與 Modbus 模塊通訊圖。

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030x03)命令為例進(jìn)行調(diào)試的測試結(jié)果圖 03 命令的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 “01 03 00 00 00 01 84 0A” 其中 01 為設(shè)備地址,03 為命令碼,00 00 為起始地址 00 01 為寄存器數(shù)量 84 0A  CRC 校驗(yàn)碼。 Modbus 回發(fā)數(shù)據(jù)為 “01 03 02 08 10 BE 48”,其中 01為設(shè)備地址,03 為命令碼,02 為字節(jié)數(shù),08 10 為寄存的值,BE 48  CRC 校驗(yàn)碼。 測試結(jié)果表明,Modbus 模塊能正常工作。

5.結(jié)束語

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(jì)中,實(shí)現(xiàn)了硬件平臺設(shè)計(jì)和軟件平臺設(shè)計(jì),調(diào)試結(jié)果表明,移植后的 Modbus 協(xié)議能夠與控制臺實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,使得儀表具有現(xiàn)場總線組網(wǎng)功能。

 

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