基于Modbus協(xié)議的智能壓力傳感器研發(fā)

1 引言

　　20世紀(jì)90年代以來(lái)，在傳感技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合微處理器技術(shù)發(fā)展起來(lái)的智能能傳感技術(shù)成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。傳感器領(lǐng)域的智能化得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了不同種類的智能化傳感器產(chǎn)品。但是，單一智能化傳感器并不能充分發(fā)揮智能化的優(yōu)點(diǎn)，只有將其與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)才能真正將智能化傳感器的特點(diǎn)全面發(fā)揮出來(lái)。本文根據(jù) rs-485總線以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，通過(guò)一對(duì)雙絞線作為傳輸介質(zhì)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)連起來(lái)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，同時(shí)這也大大降低了系統(tǒng)安裝、調(diào)試以及維護(hù)的成本。通過(guò)目前國(guó)際上普遍采用的modbus通信協(xié)議進(jìn)行編寫(xiě)，方便操作人員的閱讀及使用。

2 modbus rtu通信協(xié)議

　　modbus協(xié)議是莫迪康公司1978年發(fā)明用于電子控制器進(jìn)行控制和通信的協(xié)議。

　　modbus協(xié)議已經(jīng)被接受轉(zhuǎn)化成為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 19582－2008 《基于modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》。

　　modbus協(xié)議采用主從(master-slave)技術(shù)，是一種問(wèn)答方式的通信協(xié)議。modbus通訊協(xié)議有兩種傳送方式：rtu方式和ascii方式，相對(duì)于ascii方式，rtu模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。因此本文采用的是modbus rtu模式[2]。

　　使用rtu模式時(shí)，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始(如表1中的t1-t2-t3-t4所示)。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0-9，a-f。功能碼是每幀通訊信息的第二個(gè)字節(jié)，根據(jù)modbus協(xié)議規(guī)定 ,不同功能碼對(duì)應(yīng)數(shù)域格式不盡相同，常用的功能碼有 1、2、3、4、5、6、15 和 16 , 分別表示讀線圈、讀輸入狀態(tài)、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫(xiě)單個(gè)線圈、寫(xiě)單個(gè)輸入狀態(tài)、寫(xiě)多個(gè)線圈, 寫(xiě)多個(gè)保持寄存器。本文根據(jù)需要主要是用的3、6、16功能碼。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域(地址域)接收到，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)給自己。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。

　　整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過(guò)3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前一消息開(kāi)始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樵谧詈蟮腸rc 域的值不可能是正確的[3]。一典型的rtu模式的消息結(jié)構(gòu)如表1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　智能傳感器(intelligent sensor)是具有信息檢測(cè)與處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。本設(shè)計(jì)中智能壓力傳感器的組成如圖1所示。

圖1 基于c8051f350的智能壓力傳感器的方框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)按照各部分功能可分為電源模塊、溫度采集模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等部分。本設(shè)計(jì)使用c8051f350作為數(shù)據(jù)采集后的微處理器，c8051f350內(nèi)部有一個(gè)全差分24位sigma-delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，該adc具有在片校準(zhǔn)功能。兩個(gè)獨(dú)立的抽取濾波器可被編程到1khz的采樣率[5]。可以使用內(nèi)部的2.5v電壓基準(zhǔn)，也可以用差分外部基準(zhǔn)進(jìn)行比率測(cè)量，其中在本設(shè)計(jì)中使用的是內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。adc0中包含一個(gè)可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達(dá)128倍，增益調(diào)節(jié)范圍完全符合設(shè)計(jì)要求。

　　設(shè)計(jì)采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷壓阻壓力傳感器cps181，陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kv，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好[4]。設(shè)計(jì)使用ds18b20測(cè)量工作環(huán)境溫度。ds18b20具有以下特性：

　　(1) 獨(dú)特的單線接口，只需一個(gè)接口引腳即可通信；

　　(2) 不需要外部元件；

　　(3) 可用數(shù)據(jù)線供電；

　　(4) 不需要備份電源等。

　　測(cè)量得到的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)單線接口送入ds18b20或從ds18b20送出，因此從c8051f350到ds18b20僅需連接一條線。設(shè)計(jì)的通信通過(guò)rs485完成。因?yàn)閞s-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10mbps；rs-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好[6]；rs-485接口的最大傳輸距離可達(dá)3000米；支持眾多常見(jiàn)的操作系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1下位機(jī)通信程序的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的下位機(jī)程序主要是運(yùn)用了大家熟悉的c語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序采用了模塊化思想,結(jié)構(gòu)清晰易讀。主要包括系統(tǒng)初始化、更新傳感器溫度值、更新傳感器供電電壓值、更新傳感器零漂值、更新傳感器壓力值、由modbus協(xié)議對(duì)上位機(jī)發(fā)來(lái)的報(bào)文進(jìn)行解釋形成任務(wù)標(biāo)志、執(zhí)行modbus協(xié)議的相應(yīng)功能代碼任務(wù)、向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答報(bào)文、故障診斷、電源管理等模塊。

　　設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：自定義了一個(gè)寄存器數(shù)組，數(shù)組里包括地址、量程、增益、波特率、零漂、版本號(hào)、溫度、供電電壓、故障信息、壓力值等，并對(duì)他們進(jìn)行了編號(hào)。寄存器分配一覽表如表2所示。

　　(1)每一寄存器由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，高字節(jié)存放數(shù)值的高位，低字節(jié)存放數(shù)值的低位。例如：量程代碼存放于編號(hào)為01h的寄存器中，所占的兩個(gè)字節(jié)規(guī)定如下(其中xx為以16進(jìn)制形式存放的量程代碼)：

寄存器編號(hào) 字節(jié) 高半字節(jié) 低半字節(jié)
01h 高字節(jié) 0 0
低字節(jié) x x

　　定義：傳感器地址、量程、增益、波特率分別占用一個(gè)寄存器(即兩個(gè)字節(jié))，它們的寄存器號(hào)分別為00h、01h、02h、03h，在modbus協(xié)議功能碼03中，起始地址高位、低位可以分別對(duì)應(yīng)傳感器地址、量程、增益、波特率的高位、低位。

(2) 在具體編寫(xiě)程序時(shí)，把寄存器數(shù)組的所有只寫(xiě)屬性放入flash

　　然后初始化讀出。上位機(jī)發(fā)信息，下位機(jī)解釋相應(yīng)命令，讀出或?qū)懭胂鄳?yīng)數(shù)據(jù)。在編寫(xiě)執(zhí)行03、06、16任務(wù)模塊時(shí)我們把要讀取的寄存器數(shù)組的起始下標(biāo)和要讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)分別根據(jù)modbus功能碼中的起始地址高、低位和寄存器數(shù)高、低位設(shè)定成一個(gè)變量，這樣簡(jiǎn)化了程序，可讀性強(qiáng)。

　　(3)modbus協(xié)議規(guī)定，當(dāng)設(shè)備使用rtu模式通信時(shí)，整個(gè)報(bào)文幀必須以連續(xù)的字符流發(fā)送。報(bào)文幀由時(shí)長(zhǎng)至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1.5個(gè)字符時(shí)間，則報(bào)文幀被認(rèn)為不完整應(yīng)該被接收節(jié)點(diǎn)丟棄。而在實(shí)際通信過(guò)程中由于每幀消息不定長(zhǎng)，所以程序中最主要的問(wèn)題是如何找到modbus消息幀的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，并且要滿足兩個(gè)字符之間的空閑間隔和兩個(gè)報(bào)文幀之間的空閑間隔。程序的解決方法：接收采用中斷方式并采用了可重復(fù)觸發(fā)的可編程單穩(wěn)方式進(jìn)行處理，在利用modbus協(xié)議通信時(shí)保證了實(shí)時(shí)性接收。

　　(4)對(duì)于報(bào)文發(fā)錯(cuò)問(wèn)題(即不符合要發(fā)送的報(bào)文)，已用crc校驗(yàn)程序?qū)ζ涮幚怼?duì)于發(fā)送不符合要求的傳感器地址、功能代碼、數(shù)據(jù)、從機(jī)設(shè)備故障、從機(jī)設(shè)備忙碌、超時(shí)等問(wèn)題，通過(guò)發(fā)送不正常響應(yīng)信息來(lái)進(jìn)行處理。而且上位機(jī)也編寫(xiě)了相應(yīng)的程序代碼。

　　(5) 對(duì)于零漂、溫漂的補(bǔ)償以及線性化的問(wèn)題，通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償處理的。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)精度可以控制在千分之五之內(nèi)。

4.2上位機(jī)通信程序的編寫(xiě)

圖2 modbus串口協(xié)議通信界面

　　上位機(jī)串口通信是采用 visual basic語(yǔ)言編寫(xiě)，visual basic提供了面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ摺ｉ_(kāi)發(fā)人員只需按設(shè)計(jì)要求在屏幕上“畫(huà)”出所需的用戶界面來(lái)，并設(shè)置這些對(duì)象的屬性，不必為用戶界面設(shè)計(jì)而編寫(xiě)大量的程序代碼[7]。相對(duì)于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言，visual basic最突出的特點(diǎn)是事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制。每個(gè)事件都能驅(qū)動(dòng)一段程序的運(yùn)行。程序員只需編寫(xiě)響應(yīng)用戶動(dòng)作的代碼，各個(gè)動(dòng)作之間不一定有聯(lián)系，這樣的程序一般較短，且易于編寫(xiě)和維護(hù)。在visual basic中為了完成串行通信，使用了mscomm控件，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)送功能，還用到了timer控件。這兩個(gè)控件在程序運(yùn)行時(shí)都是不可見(jiàn)的[8][9]，在設(shè)計(jì)時(shí)把它們放在窗體的右上角即可。圖3為modbus串口協(xié)議通信界面。此串口通信主要完成的功能：

　　(1)搜索傳感器配置信息：當(dāng)用戶在用此傳感器時(shí)，可能不清楚掛接傳感器地址位置以及串口所使用的波特率，為此編寫(xiě)了相應(yīng)的程序方便用戶查詢。

　　(2)讀傳感器配置信息，包括地址、量程、增益、波特率、程序代碼、修正系數(shù)、功能代碼等。此部分根據(jù)modbus功能碼03編寫(xiě)，嚴(yán)格按照rtu幀格式編寫(xiě)。

　　(3)寫(xiě)傳感器配置信息。用戶可以根據(jù)自己的要求，更改地址、量程、增益、波特率、程序代碼、修正系數(shù)、功能代碼等。此部分是根據(jù)根據(jù)modbus功能碼06或16編寫(xiě)。

　　(4) 采集傳感器工作狀態(tài)。包括傳感器壓力、供電電壓、環(huán)境溫度、零漂、故障信息等。
modbus串口協(xié)議通信界面如圖2所示。

　　部分程序如下：

private sub timer1_timer()
if star_find = true then `如果有啟動(dòng)搜索命令標(biāo)志
area_num = area_num + 1
mscomm1.outbuffercount = 0
if area_num >= 248 then `如果現(xiàn)波特率下超出下位機(jī)地址范圍，則地址清零，重新?lián)Q波特率搜索
area_num = 0
timer1.enabled = false
ll= msgbox("該波特率下無(wú)法搜索到下位機(jī)地址，請(qǐng)改變波特率！", vbok, "提示")
end if
call start_find `開(kāi)端口，將搜索命令發(fā)給下位機(jī)，并確定mscomm1.rthreshold屬性
end if
if star_read = true then `如果有啟動(dòng)讀命令標(biāo)志
call start_read `開(kāi)端口，將讀命令發(fā)給下位機(jī)，并確定mscomm1.rthreshold屬性
end if
if star_write = true then `如果有啟動(dòng)寫(xiě)命令標(biāo)志
call start_write
`開(kāi)端口，將配置信息強(qiáng)置給下位機(jī)，并確定mscomm1.sthreshold屬性
end if
if star_acq = true then `如果有啟動(dòng)采集命令標(biāo)志
if acq_end = true then `如果有結(jié)束采集命令標(biāo)志
timer1.enabled = false `關(guān)閉時(shí)鐘
acq_end = false `清除結(jié)束采集命令標(biāo)志
end if
call start_read `開(kāi)端口，將讀命令發(fā)給下位機(jī)，并確定mscomm1.rthreshold屬性
end if
end sub

　　4.3 編程時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題

　　(1) 下位機(jī)從應(yīng)答到發(fā)送數(shù)據(jù)并返回回應(yīng)消息有一定的時(shí)間間隔，程序已根據(jù)不同波特率對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。保證對(duì)下位機(jī)的信息正確讀取。

　　(2) 在搜索傳感器配置信息時(shí)，若搜索不到，要有提示通信出錯(cuò)信息，不能無(wú)限時(shí)間搜索。

　　(3) 每一次的傳輸是0-255之間的數(shù)據(jù)，必須把inputmode屬性設(shè)置為1(默認(rèn)為0)，表示以二進(jìn)制格式取回?cái)?shù)據(jù)。否則當(dāng)設(shè)置為0時(shí)，超過(guò)128的部分會(huì)被當(dāng)成雙字節(jié)文字處理，結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　利用上述的軟硬件設(shè)計(jì)方法，通過(guò) vb6.0的mscomm控件可以做到基于modbus通信協(xié)議的上位機(jī)與下位機(jī)的相互通信。該方法編程簡(jiǎn)單、實(shí)用,運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便易行，通用性強(qiáng),同時(shí)降低了開(kāi)發(fā)成本,很好的滿足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。