Modbus協議在金屬管浮子流量計中的應用

隨著通信技術、集成電路技術的發展,傳統的現場檢測儀器的智能化和數字化程度在逐漸提升?,F場總線作為開放化、數字化、多點通訊的底層控制網絡,成為了近代工業控制系統的熱門研究項目。將Modbus通訊協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絡化,同時為實現數字化組網提供了可行接口。經過調試表明移植后的Modbus通訊協議可以實現基本功能,取得了預期的效果。

浮子流量計是一種經典的變面積式流量計,具有結構簡單、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點。 金屬管浮子流量計可以適應高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等多種苛刻環境,較少的可動部件、便于維護,解決了生產中的許多難題。

基于 Modbus 協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,將具有開放協議的 Modbus 協議移植到傳統的金屬管浮子流量計中,使得儀表具有現場總線組網功能。

1.金屬管浮子流量計整體結構設計

金屬1.jpg

1是金屬管浮子流量計整體結構圖。 流量測量過程可概括為: 磁阻傳感器將浮子位移信號轉化為電信號送給信號處理電路, 經過信號處理電路進行放大濾波后再經由 AD 采樣模塊采樣,***后送給微處理器處理,微處理器經過一系列處理后得到當前流量信息, 送給液晶模塊顯示或者通過 Modbus 模塊將信號遠傳給其他設備使用。

2.Modbus 模塊硬件電路設計

Modbus 通信協議有兩種串行傳輸模式:ASCII 模式和 RTU(遠程終端單元)模式,與這兩種模式對應的幀格式是ASCII 幀格式和 RTU 幀格式。 本文采用 RTU 幀格式,其數據幀格式為如表所示。

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次發送的數據幀必須是作為一個連續的數據流進行傳輸。Modbus  RTU 模式規定不同數據幀之間的間隔是 35 個字節通信時間以上(即起始位和結束符 T1T2T3T4。

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, 相同則確認接收正確繼續解析報文,否則接收到的是誤碼并停止解析報文。

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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 芯片將數字信號轉換為差壓信號傳輸,圖Modbus 通訊模塊硬件設計圖, 通過 USART  CPU 進行數據交互。

Modbus 模塊通過兩根串口線 RX_485  TX_485  CPU相連,經過 MAX3072 后轉化為差壓信號在 485 總線上傳輸,差壓信號幅值在 200mV 左右。

3.Modbus 模塊軟件設計

Modbus 通訊模塊功能是實現流量儀表與主機或其他設備的數據交互,Modbus 模塊的信號是通過 RS485 總線進行傳輸,其狀態轉換圖如圖所示。

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程序初始化結束后, 首先進入初始狀態。 由于 Modbus 協議規定兩次幀數據傳輸的時間間隔不能小于 30μs,因此在進入初始狀態后會開啟定時器,30μs 以后進入就緒狀態。 有數據傳輸時,進入接收狀態,幀數據接收完成后進入幀解析封裝狀態,若接收數據出錯則進入錯誤狀態,封裝后再進入發送狀態, 若數據正確則直接完成封裝進入發送狀態,數據發送完成后則再次進入初始狀態。 Modbus 模塊軟件設計流程圖如圖所示。

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4.系統調試

Modbus 通訊模塊驗證實驗的目的是驗證流量儀表能否通過 485 總線實現流量信息與控制臺的信息交互。 本文應用Modbus 調試助手軟件模擬控制臺與 Modbus 模塊進行通信 ,驗證 Modbus 模塊能否實現正常通訊。  Modbus 模塊與控制臺通信的電路連接圖。

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為驗證 Modbus 模塊通訊的正確性, 本文通過 Modbus 調試助手往 Modbus 模塊下發數據,若能返回正確數據,則證明通訊成功。 為通過 Modbus 調試助手與 Modbus 模塊通訊圖。

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030x03)命令為例進行調試的測試結果圖 ,03 命令的能是讀取特定寄存器的值。 串口調試助手下發的數據為 “01 03 00 00 00 01 84 0A”, 其中 01 為設備地址,03 為命令碼,00 00 為起始地址 ,00 01 為寄存器數量 ,84 0A  CRC 校驗碼。 Modbus 回發數據為 “01 03 02 08 10 BE 48”,其中 01為設備地址,03 為命令碼,02 為字節數,08 10 為寄存的值,BE 48  CRC 校驗碼。 測試結果表明,Modbus 模塊能正常工作。

5.結束語

擇低功耗的微處理器和通訊芯片,  將具有開放協議的Modbus 協議移植到傳統的金屬管浮子流量計中,實現了硬件平臺設計和軟件平臺設計,調試結果表明,移植后的 Modbus 協議能夠與控制臺實現實時通信,使得儀表具有現場總線組網功能。

 

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