朱姣

摘 要：通過對Modbus RTU協(xié)議的詳細分析，基于AT91SAM7X256單片機功能，開發(fā)了一種關(guān)于抽油機控制器數(shù)據(jù)采集及模擬的上位機軟件。以4～20mA的模擬量作為輸入，按照一定規(guī)約轉(zhuǎn)換后的工程值存儲在AT91SAM7X256單片機的寄存器中，基于C#實現(xiàn)的上位機軟件通過Modbus RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集，通過組態(tài)軟件實現(xiàn)控制模擬。

關(guān)鍵詞：Modbus RTU協(xié)議；數(shù)據(jù)采集；控制模擬；組態(tài)軟件

DOIDOI：10.11907/rjdk.151609

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）009003403

0 引言

Modbus協(xié)議已經(jīng)成為我國工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范的國家標準之一，國內(nèi)許多廠商的產(chǎn)品或系統(tǒng)均支持該協(xié)議[1]。Modbus協(xié)議是由Modicon公司在1979年開發(fā)出來的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是第一個真正意義上用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，它定義了設(shè)備與設(shè)備之間的信息傳輸方式，使控制器之間、控制器和其它設(shè)備之間可以進行通信和數(shù)據(jù)傳輸 [2]。文獻[1]介紹了一種基于MSP430單片機的Modbus協(xié)議軟件設(shè)計方法，只是簡單地將通信過程分為4個階段，未涉及采集到的數(shù)據(jù)。文獻[3]把特定數(shù)據(jù)從單片機的存儲設(shè)備里讀取出來，作適當處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中并顯示部分數(shù)據(jù)，而在現(xiàn)場工業(yè)控制過程中往往需要的是實時數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)庫的設(shè)計顯得有些冗余。文獻[4]開發(fā)設(shè)計了一款上位機仿真軟件，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試、檢驗提供了便捷的手段，但是不能直觀仿真顯示采集數(shù)據(jù)的信息。為了使人們更加直觀地看到采集的數(shù)據(jù)，通過對Modbus協(xié)議實用案例的分析和研究，本設(shè)計進行了完善，并采用組態(tài)軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示，達到了數(shù)據(jù)采集與控制模擬的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括5大功能區(qū)，各功能模塊如下：

（1） 模擬量4～20mA：根據(jù)CPU以及外圍設(shè)備正常工作時所需要的供電電壓，選取合適的電阻值，從而獲得模擬量4～20mA的電流值作為輸入。

（2） CPU：中央處理單元，專用于對采集到的數(shù)據(jù)進行處理的單元模塊。本設(shè)計中通過I/O口接收輸入的模擬量，再通過A/D轉(zhuǎn)化模塊將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量并存儲在CPU的Registers中。

（3） Modbus Data：一旦下位機（從站）接收到上位機（主站）下達的正確命令，則從站立刻將CPU所存儲的數(shù)據(jù)進行處理，遵照Modbus RTU協(xié)議規(guī)范，形成Modbus ADU數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送出去。

（4） 上位機：基于C#編寫實時顯示數(shù)據(jù)軟件。接收來自串口傳送的數(shù)據(jù)包，按照Modbus RTU協(xié)議對數(shù)據(jù)包進行解析，獲得要顯示的數(shù)據(jù)。

（5） 組態(tài)軟件：使用Espider 力控6.0組態(tài)軟件直觀顯示數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

2.1.1 單片機電源模塊

AT91SAM7X256是基于32位ARM RISC處理器系列微控制器中的一員，集成有256K字節(jié)的高速Flash和64K字節(jié)的SRAM和全套外圍設(shè)備。硬件系統(tǒng)采用24V電源作為輸入電壓，經(jīng)過兩次電路轉(zhuǎn)換（先由24V轉(zhuǎn)為5V，再由5V通過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)為3.3V）后給AT91SAM7X256管腳VDDIN等提供輸入標稱值為3.3V的電壓，AT91SAM7X256工作后通過VDDOUT管腳輸出1.8V電壓為各個邏輯部件供電。

2.1.2 串口通信模塊

系統(tǒng)采用通用的RS232作為串口通信。通過CPU各個管腳PA3、PA4、RXD1、TXD1和VDD3.3與轉(zhuǎn)換芯片連接，達到串口數(shù)據(jù)收發(fā)的目的。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包含3部分：上位機PC界面設(shè)計、組態(tài)軟件設(shè)計以及下位機控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.2.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要完成本機設(shè)置和數(shù)據(jù)實時顯示2個任務(wù)。本機設(shè)置包括對串口通信的設(shè)置：選擇串口，設(shè)置串口（本系統(tǒng)采用默認的串口屬性設(shè)置。波特率是9 600，數(shù)據(jù)位是8，停止位是1，無校驗位），打開串口。串口打開成功即進入數(shù)據(jù)顯示界面，打開失敗則提示重新選擇正確串口。實時顯示數(shù)據(jù)的變化，開機按鈕起到上載數(shù)據(jù)的作用，關(guān)機按鈕則用于停止上位機與下位機的通信。上位機軟件設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 上位機軟件流程

2.2.2 組態(tài)軟件設(shè)計

在Espider軟件中進行組態(tài)界面設(shè)計。本系統(tǒng)通過串口對變量包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)和IO設(shè)備組態(tài)進行設(shè)置，選擇標準的Modbus RTU協(xié)議串行口，并對內(nèi)存區(qū)、偏置和數(shù)據(jù)格式進行設(shè)置，用以在界面上顯示相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)。

2.2.3 下位機控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送功能。系統(tǒng)上電后進入初始化，一切準備工作就緒后，等待上位機命令，一旦接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)即按命令進行處理，隨后將所需數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機實時顯示?？刂葡到y(tǒng)部分流程如圖3所示。

3 MODBUS 通信協(xié)議

目前，Modbus通信協(xié)議是工業(yè)控制領(lǐng)域最為流行的協(xié)議，主要分為3種類型：Modbus RTU、Modbus ASCII和Modbus TCP/IP。通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)見圖4。Modbus協(xié)議采用主從工作方式，允許一臺主機和多臺從機進行通信，從機地址由用戶設(shè)定。地址范圍為1-255，地址0用作廣播地址，所有主機把它當作一條命令來執(zhí)行，從設(shè)備不作任何回應(yīng)[5]。本設(shè)計采用Modbus RTU協(xié)議，因為RTU模式規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式。在校驗上，RTU模式采用16位CRC校驗[6]，CRC校驗保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。在Modbus 協(xié)議中，一般CRC產(chǎn)生的校驗數(shù)據(jù)位于Modbus ADU的后兩個字節(jié)，比如在本設(shè)計中，主站上位機需要向下位機寫入的數(shù)據(jù)是：0x00 0x00 0x00 0x04，按照圖5，先后加入從地址（系統(tǒng)默認為1）、功能碼和校驗位形成Modbus ADU（0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x04 0x44 0x09），再通過串口發(fā)送給下位機，下位機再對接收到的數(shù)據(jù)包進行解析，從而得知要執(zhí)行的動作，并將上位機所需的數(shù)據(jù)（0x01 0x03 0x08 0x00 0x1a 0x00 0x1e 0x00 0x09 0x00 0x1a 0xd7 0xdd）以同樣的方式傳送給上位機。收到的數(shù)據(jù)同樣包括站號和功能碼，該處功能碼是3，最后兩字節(jié)是校驗位，0x08表示返回的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)位采用大端模式，0x00 0x1a 0x00 0x1e 0x00 0x09 0x00 0x1a分別表示十進制數(shù)26，30，9，26。

圖3 控制系統(tǒng)流程

圖4 MODBUS通信協(xié)議棧

根據(jù)標準Modbus協(xié)議規(guī)范（Modbus 通用數(shù)據(jù)幀如圖5所示），通過串口通信的ADU（Application Data Unit）最大字節(jié)長度為256 bytes，所以在通信過程中PDU長度是：256-Server address（1 byte 從地址）-CRC（2 byte CRC校驗）=253 bytes。

Server address：從地址。用于標識和上位機通信的下位機模塊，具有唯一性。

Function code：功能碼。它是Modbus協(xié)議最重要的標志，位于所需數(shù)據(jù)之前，表示上位機給下位機下達的命令。下位機接收到數(shù)據(jù)包后解析出功能碼，按照功能碼執(zhí)行上位機分配的任務(wù)，隨后返回上位機所需數(shù)據(jù)（同時返回相同的功能碼以便上位機識別）。本設(shè)計使用的Modbus協(xié)議功能碼見表1。

圖5 Modbus通用幀

校驗位：一般占用2個字節(jié)，用于對丟失或者錯誤數(shù)據(jù)的檢測。

表1 功能碼

Function Code[]Description

0x01[]Read Coils

0x02[]Read Discrete Inputs

0x03[]Read Holding Registers

0x04[]Read Input Registers

0x05[]Write Single Coil

4 運行結(jié)果

4.1 上位機運行界面

通過本機設(shè)置選擇需要連接的串口，打開串口后點擊開機按鈕，通過RS232接口與下位機通信，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機并進行實時顯示，運行界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

為了更加直觀形象地看到數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，通過組態(tài)軟件設(shè)計了組態(tài)畫面，用于對接收到的數(shù)據(jù)進行模擬顯示，部分運行界面如圖7所示。

圖7 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)采集界面

4.2 Modscan 測試驗證

為了測試接收的數(shù)據(jù)是否正確，選擇Modscan軟件進行驗證，用以讀取寄存器中的數(shù)值。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析和驗證表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的正確性，如圖8所示。

（a）采集的數(shù)據(jù)（30001～30005寄存器）

（b）轉(zhuǎn)換后的工程值（40001～40005寄存器）

圖8 測試驗證

5 結(jié)語

本設(shè)計實現(xiàn)了對AT91SAM7X256單片機中存儲的4～20mA模擬量轉(zhuǎn)換為工程值后的數(shù)據(jù)采集，并使用組態(tài)軟件進行仿真。對運行結(jié)果的分析表明，上位機操作便捷、運行良好。系統(tǒng)充分運用了Modbus RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議中的CRC校驗減少了數(shù)據(jù)出錯，這一點進一步說明了Modbus協(xié)議在工業(yè)控制領(lǐng)域中的優(yōu)勢。

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