渦輪流量計(jì)是采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示計(jì)算一體化的新型智能儀表 。文章針對(duì)流量計(jì)控制的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的計(jì)量數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。渦輪流量計(jì)（下位機(jī)）由德州儀器的 ＭＳＰ４３０單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)。上位機(jī)程序是通過(guò) ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１２利用Ｃ＃語(yǔ)言編寫(xiě)的基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的 Ｗｉｎｄｏｗｓ應(yīng)用程序。把上位機(jī)程序移植到嵌入式系統(tǒng)中，上下位機(jī)通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，完成了對(duì)流量計(jì)的遠(yuǎn)程控制以及計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與顯示。

渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，也被稱(chēng)為葉輪式流量計(jì)。渦輪流量計(jì)是利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映通過(guò)管道的流體體積流量的大小，是目前流量?jī)x表中比較成熟的高準(zhǔn)確度儀表之一。隨著工業(yè)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日趨完善，利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)與渦輪流量計(jì)進(jìn)行通信已經(jīng)是企事業(yè)單位計(jì)量數(shù)據(jù)管理的大趨勢(shì)。渦輪流量計(jì)的通信系統(tǒng)是渦輪流量計(jì)的重要組成部分。雖然渦輪流量計(jì)已經(jīng)提供了瞬時(shí)流量、累積流量、溫度、壓力等信息的采集，但是目前這些數(shù)據(jù)的讀取需要靠人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抄表。原始的人工抄表方式既耗費(fèi)大量的人力物力，又無(wú)法避免手工抄寫(xiě)和計(jì)算帶來(lái)的誤差，且對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理也嚴(yán)重滯后，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。因此，這種數(shù)據(jù)讀取方式具有易出錯(cuò)、工作量大、準(zhǔn)確率低等缺點(diǎn)。而且渦輪流量計(jì)大多安裝在一些危險(xiǎn)的且無(wú)人看守的工作現(xiàn)場(chǎng)的密封管中，人工抄表難度大。

為了解決這些問(wèn)題，本課題在 Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺(tái)下利用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１２編寫(xiě)監(jiān)控程序并移植到嵌入式系統(tǒng)下，通過(guò)射頻技術(shù)與下位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，通過(guò)監(jiān)控程序的無(wú)線控制能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪流量計(jì)的開(kāi)關(guān)、各種流量計(jì)參數(shù)的設(shè)定以及將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧街靼暹M(jìn)行顯示。

1.系統(tǒng)總體方案

基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的渦輪流量計(jì)通信系統(tǒng)主要由上位機(jī)和渦輪流量計(jì)（下位機(jī)）通信部分組成。本設(shè)計(jì)主要完成上位機(jī)部分。基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議編寫(xiě)上位機(jī)程序并移植到嵌入式系統(tǒng)中，主要完成的任務(wù)有：上位機(jī)通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)完成了對(duì)渦輪流量計(jì)（下位機(jī)）的參數(shù)配置并控制下位機(jī)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與顯示。

２ .ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議

２．１ ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議簡(jiǎn)介ＭＯＤＢＵＳ規(guī)約是 ＭＯＤＩＣＯＭ 公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)為很多廠商支持的開(kāi)放規(guī)約，ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議已經(jīng)成為一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有了它不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議包括ＲＴＵ 和ＡＳＣＩＩ等，并沒(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用了主／從方式，即主設(shè)備端發(fā)出信息請(qǐng)求，從設(shè)備端接收到正確的信息后就會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)到主設(shè)備端完成響應(yīng)；同時(shí)主設(shè)備端也可以發(fā)消息直接修改從設(shè)備端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了雙向的讀寫(xiě)。

２．２ ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議格式

ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議主要分為兩種傳輸模式：ＲＴＵ 模式和 ＡＳＣＩＩ模式。根據(jù)需求可以自行選擇使用何種模式，包括串口通信的參數(shù)（端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)方式等）。在配置控制器的時(shí)候，同一個(gè) ＭＯＤＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的協(xié)議格式和串口參數(shù)。

當(dāng)控制器設(shè)在 ＭＯＤＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)上并以 ＡＳＣＩＩ模式通信時(shí)，字符發(fā)送時(shí)間間隔可達(dá)１ｓ而不產(chǎn)生錯(cuò)誤，而且由于 ＡＳＣＩＩ格式擁有開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志，因此 ＡＳＣＩＩ協(xié)議的程序?qū)?shù)據(jù)包的處理能更加方便直觀，更加容易調(diào)試。這是流量計(jì)的通信系統(tǒng)選擇 ＡＳＣＩＩ協(xié)議作為通信格式的原因。

２．３ ＡＳＣＩＩ模式

當(dāng)控制器設(shè)為在 ＭＯＤＢＵＳ網(wǎng)絡(luò)上以 ＡＳＣＩＩ（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信，消息中每８Ｂｉｔ的字節(jié)都作為兩個(gè) ＡＳＣＩＩ字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到１ｓ而不產(chǎn)生錯(cuò)誤。ＡＳＣＩＩ模式的消息幀的構(gòu)成如表１。

消息幀的地址域包含兩個(gè)字符（ＡＳＣＩＩ）或８Ｂｉｔ（ＲＴＵ）。可能的從設(shè)備地址０．．．２４７（十進(jìn)制）。單個(gè)設(shè)備的地址范圍是１．．．２４７。主設(shè)備通過(guò)將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來(lái)選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí)，它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中，以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。地址０用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng) ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。

３ .通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

３．１ 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖１所示。

上位機(jī)選用嵌入式開(kāi)發(fā)板ＥＭ９２８０，它是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高性?xún)r(jià)比嵌入式主板產(chǎn)品，其內(nèi)核 ＣＰＵ 為工業(yè)級(jí)品質(zhì)的ｉ．ＭＸ２８３，系統(tǒng)已預(yù)裝正版

ＷｉｎｄｏｗＣＥ６．０實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。此外，ＥＭ９２８０

體積小，易攜帶，可以方便地帶到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，方便工作人員的操作。

ＥＭ９２８０的標(biāo)準(zhǔn)配置中有ＲＳ－４８５通信接口，而標(biāo)準(zhǔn)的 ＭＯＤＢＵＳ物理層就采用了 ＲＳ－４８５串行通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)４８５總線可以將通信數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線射頻模塊，并通過(guò)射頻信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)端射頻模塊，最后再通過(guò)４８５總線傳送給渦輪流量計(jì)，完成數(shù)據(jù)的傳輸。

無(wú)線射頻模塊采用ＰＴＲ２０００，無(wú)線收發(fā)一體數(shù)傳

ＭＯＤＥＭ 模塊 ＰＴＲ２０００芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居領(lǐng)先水平，它的顯著特點(diǎn)是所需的外圍元件少，因而設(shè)計(jì)非常方便。該模塊在內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接收、ＰＬＬ合成、ＦＳＫ調(diào)制／解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，因此是目前集成度較高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。該器件采用了抗干擾能力較強(qiáng)的 ＦＳＫ 調(diào)制／解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠。它是目前低功率無(wú)線傳輸?shù)睦硐脒x擇。

３．２ 渦輪流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、頻率輸出模塊、通訊模塊等組成。如圖２ 所示，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò) Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和傳輸。

考慮到實(shí)際應(yīng)用，在硬件選擇方面盡可能保證性能的情況下多選擇低功耗芯片。微控單元選用德州儀器公司生產(chǎn)的 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９單片機(jī)，它具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，并且屬于超低功耗微處理器 。

４. 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

４．１ 軟件編程思路

上位機(jī)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編寫(xiě)，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置中通常只有 ＲＳ－２３２通信接口，可以通過(guò)很多標(biāo)準(zhǔn)控件完成 ＲＳ－２３２的數(shù)據(jù)通信。本次設(shè)計(jì)選用Ｃ＃語(yǔ)言中的ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ控件在 ＶＳ２０１２編程環(huán)境下完成基于 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議的上位機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)。

ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ控件按照接收數(shù)據(jù)方式分為事件驅(qū)動(dòng)方式和同步接收方式。由于該上位機(jī)軟件需要處理的接收上來(lái)的數(shù)據(jù)非常多，考慮到事件驅(qū)動(dòng)方式需要大量的代碼去分析接收上來(lái)的數(shù)據(jù)屬于上位機(jī)監(jiān)測(cè)的哪部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此，本設(shè)計(jì)采用同步接收方式去處理接收的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖３。

４．２ 軟件仿真

（１）仿真環(huán)境搭建

仿真在一臺(tái)電腦上面完成，需要兩條 ＵＳＢ轉(zhuǎn)串口線，并把１號(hào)串口上的２針接２號(hào)串口上的３針，１號(hào)串口上的３針接２號(hào)串口上的２針，然后兩個(gè)串口的５針（接地端）互相連接即可。

（２）仿真軟件

為了確保編程的 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（稍作改動(dòng)便可供其他標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)使用）準(zhǔn)確可行，選用 ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ軟件進(jìn)行仿真。ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ是 ＭＯＤＢＵＳ子設(shè)備模擬工具，幫助 ＭＯＤＢＵＳ通訊設(shè)備開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行 ＭＯＤＢＵＳ通訊協(xié)議的模擬和測(cè)試，用于模擬、測(cè)試、調(diào)試 ＭＯＤＢＵＳ通訊設(shè)備。可以在３２個(gè)窗口中模擬多達(dá)３２個(gè) ＭＯＤＢＵＳ子設(shè)備！與ＭＯＤＢＵＳＰｏｌ的用戶(hù)界面相同，支持功能碼：０１，０２，０３，０４，０５，０６，１５，１６，２２和２３，監(jiān)視串口數(shù)據(jù)。

（３）上位機(jī)功能

根據(jù) ＭＯＤＢＵＳ———ＡＳＣＩＩ協(xié)議，本上位機(jī)完成的功能有：

“０１”———讀取連續(xù)的布爾參數(shù)值（０／１）；“０３”———讀取保存的儀表各項(xiàng)參數(shù)值（Ｈｅｘ；）“０４”———讀取儀表瞬時(shí)測(cè)量輸出值（Ｈｅｘ）；“０Ｆ”———寫(xiě)多個(gè)連續(xù)的布爾參數(shù)值（０／１）；“１０”———寫(xiě)多個(gè)連續(xù)的寄存器參數(shù)值（Ｈｅｘ）。通過(guò)利用 ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ軟件進(jìn)行仿真測(cè)試上位機(jī)軟件。由于定時(shí)讀取下位保持機(jī)寄存器的數(shù)據(jù)是ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議中代表性的功能，因此在這里只演示０３功能仿真，仿真結(jié)果如下。

功能碼０３為定時(shí)讀取下位機(jī)中已經(jīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，每隔一定的時(shí)間將會(huì)從下位機(jī)讀取一次數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有讀到將會(huì)連續(xù)嘗試５次，如果５次讀取都沒(méi)有結(jié)果則認(rèn)定連接斷開(kāi)，用戶(hù)可以再次點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕再次讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)。

圖４為 Ｗｉｎｃｅ系統(tǒng)的觸摸屏和電腦上 ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ軟件仿真合照。圖５是在 Ｗｉｎｃｅ系統(tǒng)上運(yùn)行上位機(jī)軟件。單個(gè)寄存器只能存儲(chǔ)２個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于大的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)需要多個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)。對(duì)于由單個(gè)寄存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，如３０００２寄存器存儲(chǔ)的為瞬時(shí)流量的值，由于精度問(wèn)題，當(dāng)上位機(jī)接收到瞬時(shí)流量的數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)除以10則會(huì)得到。而對(duì)于大的數(shù)據(jù)，如３０００４和３０００５存儲(chǔ)的是總累積流量的數(shù)據(jù)，如圖  ，轉(zhuǎn)換的順序是：當(dāng)上位機(jī)讀取３０００４和３０００５的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為002B0020和20分別為43和32的16進(jìn)制表示），然后再將００２Ｂ００２０轉(zhuǎn)換成１０進(jìn)制，最后除以10取得精度，最終得到。其它數(shù)據(jù)的計(jì)算方式可參照以上兩種。

５.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、渦輪流量計(jì)、無(wú)線收發(fā)模塊等幾個(gè)部分組成。下位機(jī)采用Ｃ語(yǔ)言在 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９上編程，上位機(jī)采用Ｃ＃語(yǔ)言在 ＶＳ２０１２環(huán)境下編程，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用 ＲＳ－４８５進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)并編寫(xiě)基于 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議的通信應(yīng)用軟件。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明上位機(jī)完全按照 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議編寫(xiě)并能夠通信成功，下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)自身的顯示模塊以及上位機(jī)窗口同時(shí)顯示，并且可以保存到下位機(jī)外擴(kuò)ＲＯＭ 中。本系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，通過(guò)簡(jiǎn)單改寫(xiě)最多可以拓展到３２個(gè)子設(shè)備的流量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本有重大意義。