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Modbus协议在金属管浮子流量计中的应用
发布时间:2021-2-23 08:08:24

【导读】:将Modbus通讯协议移植到金属管浮子流量计,使得检测仪表更具智能化和网络化,同时为实现数字化组网提供了可行接口。经过调试表明移植后的Modbus通讯协议可以实现基本功能,取得了预期的效果。
摘要:随着通信技术、集成电路技术的发展,传统的现场检测仪器的智能化和数字化程度在逐渐提升。现场总线作为开放化、数字化、多点通讯的底层控制网络,成为了近代工业控制系统的热门研究项目。将Modbus通讯协议移植到金属管浮子流量计,使得检测仪表更具智能化和网络化,同时为实现数字化组网提供了可行接口。经过调试表明移植后的Modbus通讯协议可以实现基本功能,取得了预期的效果。
  浮子流量计是一种经典的变面积式流量计,具有结构简单、直观、压损小、测量范围大、运行可靠、可测中小流量及低雷诺数流量、维护方便、寿命长,对仪表前后直管段长度要求不高等优点。金属管浮子流量计可以适应高温、高压、强腐蚀、剧毒等多种苛刻环境,较少的可动部件、便于维护,解决了生产中的许多难题。基于Modbus协议的金属管浮子流量计,通过选择低功耗的微处理器和通讯芯片,将具有开放协议的Modbus协议移植到传统的金属管浮子流量计中,使得仪表具有现场总线组网功能。
1.金属管浮子流量计整体结构设计
  图1是金属管浮子流量计整体结构图。流量测量过程可概括为:磁阻传感器将浮子位移信号转化为电信号送给信号处理电路,经过信号处理电路进行放大滤波后再经由AD采样模块采样,非常后送给微处理器处理,微处理器经过一系列处理后得到当前流量信息,送给液晶模块显示或者通过Modbus模块将信号远传给其他设备使用。
金属管浮子流量计整体结构图示
2.Modbus模块硬件电路设计
  Modbus通信协议有两种串行传输模式:ASCII模式和RTU(远程终端单元)模式,与这两种模式对应的帧格式是ASCII帧格式和RTU帧格式。本文采用RTU帧格式,其数据帧格式为如表1所示。
  一次发送的数据帧必须是作为一个连续的数据流进行传输。Modbus的RTU模式规定不同数据帧之间的间隔是3.5个字节通信时间以上(即起始位和结束符T1-T2-T3-T4)。
  CRC校验是为了防止传送过程中传输错误,将自己计算的校验码与接收的校验码进行对比,相同则确认接收正确继续解析报文,否则接收到的是误码并停止解析报文。
  Modbus通讯模块硬件电路比较简单,采用MAXIM(美信)企业的Max3072芯片将数字信号转换为差压信号传输,图2为Modbus通讯模块硬件设计图,通过USART与CPU进行数据交互。

  Modbus模块通过两根串口线RX_485和TX_485与CPU相连,经过MAX3072后转化为差压信号在485总线上传输,差压信号幅值在200mV左右。
3.Modbus模块App设计
  Modbus通讯模块功能是实现流量仪表与主机或其他设备的数据交互,仪表Modbus模块的信号是通过RS485总线进行传输,其状态转换图如图3所示。程序初始化结束后,首先进入初始状态。由于Modbus协议规定两次帧数据传输的时间间隔不能小于30μs,因此在进入初始状态后会开启定时器,30μs以后进入就绪状态。有数据传输时,进入接收状态,帧数据接收完成后进入帧解析封装状态,若接收数据出错则进入错误状态,封装后再进入发送状态,若数据正确则直接完成封装进入发送状态,数据发送完成后则再次进入初始状态。Modbus模块App设计流程图如图4所示。
4.系统调试
  Modbus通讯模块验证实验的目的是验证流量仪表能否通过485总线实现流量信息与控制台的信息交互。本文应用Modbus调试助手App模拟控制台与Modbus模块进行通信,验证仪表Modbus模块能否实现正常通讯。图5是Modbus模块与控制台通信的电路连接图。
  为验证Modbus模块通讯的正确性,本文通过Modbus调试助手往Modbus模块下发数据,若能返回正确数据,则证明通讯成功。图6为通过Modbus调试助手与Modbus模块通讯图。以03(0x03)命令为例进行调试的测试结果图,03命令的功能是读取特定寄存器的值。串口调试助手下发的数据为“010300000001840A”,其中01为设备地址,03为命令码,0000为起始地址,0001为寄存器数量,840A为CRC校验码。Modbus回发数据为“0103020810BE48”,其中01为设备地址,03为命令码,02为字节数,0810为寄存的值,BE48为CRC校验码。测试结果表明,Modbus模块能正常工作。
5结束语
  选择低功耗的微处理器和通讯芯片,将具有开放协议的Modbus协议移植到传统的金属管浮子流量计中,实现了硬件平台设计和App平台设计,调试结果表明,移植后的Modbus协议能够与控制台实现实时通信,使得仪表具有现场总线组网功能。

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