渦輪流量計是采用先進的超低功耗單片微機技術(shù)研制的渦輪流量傳感器與顯示計算一體化的新型智能儀表 。文章針對流量計控制的實際要求，設(shè)計了基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的計量數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。渦輪流量計（下位機）由德州儀器的 ＭＳＰ４３０單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及存儲。上位機程序是通過 ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１２利用Ｃ＃語言編寫的基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的 Ｗｉｎｄｏｗｓ應(yīng)用程序。把上位機程序移植到嵌入式系統(tǒng)中，上下位機通過無線射頻技術(shù)實現(xiàn)通信，完成了對流量計的遠程控制以及計量數(shù)據(jù)的遠程采集與顯示。

渦輪流量計屬于速度式流量計，也被稱為葉輪式流量計。渦輪流量計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，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的流體體積流量的大小，是目前流量儀表中比較成熟的高準確度儀表之一。隨著工業(yè)的發(fā)展以及計算機網(wǎng)絡(luò)的日趨完善，利用計算機作為上位機與渦輪流量計進行通信已經(jīng)是企事業(yè)單位計量數(shù)據(jù)管理的大趨勢。渦輪流量計的通信系統(tǒng)是渦輪流量計的重要組成部分。雖然渦輪流量計已經(jīng)提供了瞬時流量、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行現(xiàn)場抄表。原始的人工抄表方式既耗費大量的人力物力，又無法避免手工抄寫和計算帶來的誤差，且對數(shù)據(jù)的分析處理也嚴重滯后，不利于及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。因此，這種數(shù)據(jù)讀取方式具有易出錯、工作量大、準確率低等缺點。而且渦輪流量計大多安裝在一些危險的且無人看守的工作現(xiàn)場的密封管中，人工抄表難度大。

為了解決這些問題，本課題在 Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下利用ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１２編寫監(jiān)控程序并移植到嵌入式系統(tǒng)下，通過射頻技術(shù)與下位機進行無線通信，通過監(jiān)控程序的無線控制能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪流量計的開關(guān)、各種流量計參數(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行顯示。

1.系統(tǒng)總體方案

基于 ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議的渦輪流量計通信系統(tǒng)主要由上位機和渦輪流量計（下位機）通信部分組成。本設(shè)計主要完成上位機部分?；?ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議編寫上位機程序并移植到嵌入式系統(tǒng)中，主要完成的任務(wù)有：上位機通過無線射頻技術(shù)完成了對渦輪流量計（下位機）的參數(shù)配置并控制下位機完成對現(xiàn)場流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)的自動采集與顯示。

２ .ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議

２．１ ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議簡介ＭＯＤＢＵＳ規(guī)約是 ＭＯＤＩＣＯＭ 公司開發(fā)的一個為很多廠商支持的開放規(guī)約，ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(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)成為一個通用工業(yè)標準，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)進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。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)出信息請求，從設(shè)備端接收到正確的信息后就會返回數(shù)據(jù)到主設(shè)備端完成響應(yīng)；同時主設(shè)備端也可以發(fā)消息直接修改從設(shè)備端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了雙向的讀寫。

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、波特率、校驗方式等）。在配置控制器的時候，同一個 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，字符發(fā)送時間間隔可達１ｓ而不產(chǎn)生錯誤，而且由于 ＡＳＣＩＩ格式擁有開始和結(jié)束標志，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（美國標準信息交換代碼）模式通信，消息中每８Ｂｉｔ的字節(jié)都作為兩個 ＡＳＣＩＩ字符發(fā)送。這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到１ｓ而不產(chǎn)生錯誤。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字符（ＡＳＣＩＩ）或８Ｂｉｔ（ＲＴＵ）?？赡艿膹脑O(shè)備地址０．．．２４７（十進制）。單個設(shè)備的地址范圍是１．．．２４７。主設(shè)備通過將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來選通從設(shè)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時，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)備都能認識。當(dāng) ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議用于更高水準的網(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

３．１ 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案如圖１所示。

上位機選用嵌入式開發(fā)板ＥＭ９２８０，它是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性價比嵌入式主板產(chǎn)品，其內(nèi)核 ＣＰＵ 為工業(yè)級品質(zhì)的ｉ．ＭＸ２８３，系統(tǒng)已預(yù)裝正版

ＷｉｎｄｏｗＣＥ６．０實時多任務(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，方便工作人員的操作。

ＥＭ９２８０的標準配置中有ＲＳ－４８５通信接口，而標準的 ＭＯＤＢＵＳ物理層就采用了 ＲＳ－４８５串行通信標準，通過４８５總線可以將通信數(shù)據(jù)發(fā)送給無線射頻模塊，并通過射頻信號將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機端射頻模塊，***后再通過４８５總線傳送給渦輪流量計，完成數(shù)據(jù)的傳輸。

無線射頻模塊采用ＰＴＲ２０００，無線收發(fā)一體數(shù)傳

ＭＯＤＥＭ 模塊 ＰＴＲ２０００芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居水平，它的顯著特點是所需的外圍元件少，因而設(shè)計非常方便。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線數(shù)傳產(chǎn)品。該器件采用了抗干擾能力較強的 ＦＳＫ 調(diào)制／解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠。它是目前低功率無線傳輸?shù)睦硐脒x擇。

３．２ 渦輪流量計系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、鍵盤顯示模塊、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 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行存儲、顯示和傳輸。

考慮到實際應(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，它具有良好的通用性和可擴展性，并且屬于超低功耗微處理器 。

４. 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

４．１ 軟件編程思路

上位機軟件在計算機上進行編寫，計算機的標準配置中通常只有 ＲＳ－２３２通信接口，可以通過很多標準控件完成 ＲＳ－２３２的數(shù)據(jù)通信。本次設(shè)計選用Ｃ＃語言中的ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ控件在 ＶＳ２０１２編程環(huán)境下完成基于 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議的上位機通信軟件的設(shè)計。

ｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ控件按照接收數(shù)據(jù)方式分為事件驅(qū)動方式和同步接收方式。由于該上位機軟件需要處理的接收上來的數(shù)據(jù)非常多，考慮到事件驅(qū)動方式需要大量的代碼去分析接收上來的數(shù)據(jù)屬于上位機監(jiān)測的哪部分數(shù)據(jù)，因此，本設(shè)計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

仿真在一臺電腦上面完成，需要兩條 ＵＳＢ轉(zhuǎn)串口線，并把１號串口上的２針接２號串口上的３針，１號串口上的３針接２號串口上的２針，然后兩個串口的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)議標準（稍作改動便可供其他標準渦輪流量計使用）準確可行，選用 ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ軟件進行仿真。ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ是 ＭＯＤＢＵＳ子設(shè)備模擬工具，幫助 ＭＯＤＢＵＳ通訊設(shè)備開發(fā)人員進行 ＭＯＤＢＵＳ通訊協(xié)議的模擬和測試，用于模擬、測試、調(diào)試 ＭＯＤＢＵＳ通訊設(shè)備?？梢栽冢常矀€窗口中模擬多達３２個 ＭＯＤＢＵＳ子設(shè)備！與ＭＯＤＢＵＳＰｏｌ的用戶界面相同，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）上位機功能

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

“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參數(shù)值（Ｈｅｘ；）“０４”———讀取儀表瞬時測量輸出值（Ｈｅｘ）；“０Ｆ”———寫多個連續(xù)的布爾參數(shù)值（０／１）；“１０”———寫多個連續(xù)的寄存器參數(shù)值（Ｈｅｘ）。通過利用 ＭＯＤＢＵＳＳｌａｖｅ軟件進行仿真測試上位機軟件。由于定時讀取下位保持機寄存器的數(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為定時讀取下位機中已經(jīng)存儲數(shù)據(jù)的功能，每隔一定的時間將會從下位機讀取一次數(shù)據(jù)，如果沒有讀到將會連續(xù)嘗試５次，如果５次讀取都沒有結(jié)果則認定連接斷開，用戶可以再次點擊開始按鈕再次讀取下位機數(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)上運行上位機軟件。單個寄存器只能存儲２個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此對于大的數(shù)據(jù)來說需要多個寄存器來存儲。對于由單個寄存器存儲的數(shù)據(jù)，如３０００２寄存器存儲的為瞬時流量的值，由于精度問題，當(dāng)上位機接收到瞬時流量的數(shù)據(jù)時將會除以10則會得到。而對于大的數(shù)據(jù)，如３０００４和３０００５存儲的是總累積流量的數(shù)據(jù)，如圖  ，轉(zhuǎn)換的順序是：當(dāng)上位機讀取３０００４和３０００５的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)存儲為002B0020和20分別為43和32的16進制表示），然后再將００２Ｂ００２０轉(zhuǎn)換成１０進制，***后除以10取得精度，***終得到。其它數(shù)據(jù)的計算方式可參照以上兩種。

５.結(jié)束語

本系統(tǒng)主要由上位機、渦輪流量計、無線收發(fā)模塊等幾個部分組成。下位機采用Ｃ語言在 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９上編程，上位機采用Ｃ＃語言在 ＶＳ２０１２環(huán)境下編程，上位機與下位機之間采用 ＲＳ－４８５進行通信，設(shè)計并編寫基于 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議的通信應(yīng)用軟件。通過仿真實驗表明上位機完全按照 ＭＯＤＢＵＳ－ＡＳＣＩＩ協(xié)議編寫并能夠通信成功，下位機采集到的數(shù)據(jù)可以通過自身的顯示模塊以及上位機窗口同時顯示，并且可以保存到下位機外擴ＲＯＭ 中。本系統(tǒng)具有良好的可擴展性，通過簡單改寫***多可以拓展到３２個子設(shè)備的流量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，對降低生產(chǎn)運營成本有重大意義。