熱式氣體流量計的通（tōng）訊模塊設計與通訊聯調
點擊次數：2261 發布時間：2021-01-25 16:18:56
摘要：西門（mén）子 SITRANS FUS 超聲波流量的表頭支持 4-20mA 電（diàn）流（liú）信號輸出和 RS232 文本日誌輸出，都無法與水利部門采 用 Modbus 協議（yì）的取水監測設備進行通信。針（zhēn）對此問（wèn）題，本文自主設計並（bìng）實現了一種支持Modbus 協議的通訊模（mó）塊，能夠實時解析 流量計表頭 232 端口輸出的文本信（xìn）息，並將其轉（zhuǎn）換成 Modbus 協議（yì）報文，與取水監測設備（bèi）進（jìn）行通信。該通訊模塊具有（yǒu）結構簡單、可拓展性強、成本低的（de）優點。
1 概述
西門（mén）子 SITRANS FUS 外夾式熱式氣體流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸（shū）出，而水利部門的取（qǔ）水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議，物理層（céng）采用的是 RS485 標（biāo）準，無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一（yī）問題，本文自主設 計並實現了一（yī）種支持 Modbus 協議的通信模塊，使得（dé）超聲波流（liú）量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行（háng）通訊。
2 係統架構
圖 1 為本文設計（jì）的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設（shè）備、 熱式氣體（tǐ）流（liú）量計表頭組成的係統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS熱式氣體流量計（jì）表頭（tóu）的 232 接口與（yǔ）流量計表頭通信；通過 485 接口，以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將（jiāng）熱式氣體流量計的信息解析並封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備讀取（qǔ）。硬件方麵，采用成熟的STM32F407 開（kāi）發板，帶（dài）有 232 接口和（hé） 485 接口，本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計
3.1 軟件架（jià）構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖（tú） 2 所示（shì），分為硬件層、硬件抽象層，中間層和應用（yòng）層。中間層包括一個實時操作係統FreeRTOS 和（hé）一個針（zhēn）對嵌入式環境（jìng）開（kāi）發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建了三個任務，232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息，Modbus_Task 負責存儲（chǔ） 解（jiě）析後的（de）流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信，LED_Task 是一個輔助（zhù）任務，主要用（yòng）來提示程序運行狀態。
3.2 軟件流程圖
圖 3 為 Modbus 通訊模塊的軟件流程圖（tú），創建的三個（gè）任務都是以 FreeRTOS 係統的消（xiāo）息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如（rú）圖 4 所示。為（wéi）保證供電穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副兩路 5V 電（diàn）源。
在 PC 上使用權（quán）威工具測試軟件 Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模（mó）塊進行測試。通訊模（mó）塊作（zuò）為（wéi） Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入（rù）寄存器（Input Register）存儲流量計數據。Modbus Poll 發送的測試（shì）命令字節流為：01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址，0x04 功能碼為讀取 輸入寄（jì）存器命令，0x0000 為讀取寄存器的起始地址，0x0014(20)為讀取（qǔ）寄存器的（de）個數，0xF0 0x05 為 CRC 校（xiào）驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中 ，Tx 為Modbus Poll 發送命令次數（shù），也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送（sòng）讀（dú）輸入寄存器命令 24140 次（發送間隔為（wéi） 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本（běn）文針對 FUS 熱式氣體流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水（shuǐ）監測設（shè）備通訊的問（wèn）題，自（zì）主設計並實現了一種基（jī）於微處理器STM32F407 的低成本 Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片（piàn） 上 移 植（zhí） 了 開（kāi） 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 係 統FreeRTOS，實現（xiàn）了對流量計表頭輸出文本（běn）的解析，以及與Modbus 主機的通訊，從（cóng）而實現了給 FUS 熱式氣（qì）體流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明，該通訊模塊工作（zuò）穩定可靠，具備了在較高通訊頻（pín）率下正確響應 Modbus 主機請（qǐng）求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊也具（jù）備一定的可拓展性，可應（yīng）用 在公司其（qí）它 FUS 熱式氣體流量（liàng）計上，並且很容易通過 485 總（zǒng）線與DCS 係統或 PLC 進（jìn）行通訊（xùn）。
1 概述
西門（mén）子 SITRANS FUS 外夾式熱式氣體流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸（shū）出，而水利部門的取（qǔ）水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議，物理層（céng）采用的是 RS485 標（biāo）準，無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一（yī）問題，本文自主設 計並實現了一（yī）種支持 Modbus 協議的通信模塊，使得（dé）超聲波流（liú）量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行（háng）通訊。
2 係統架構
圖 1 為本文設計（jì）的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設（shè）備、 熱式氣體（tǐ）流（liú）量計表頭組成的係統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS熱式氣體流量計（jì）表頭（tóu）的 232 接口與（yǔ）流量計表頭通信；通過 485 接口，以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將（jiāng）熱式氣體流量計的信息解析並封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備讀取（qǔ）。硬件方麵，采用成熟的STM32F407 開（kāi）發板，帶（dài）有 232 接口和（hé） 485 接口，本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計
3.1 軟件架（jià）構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖（tú） 2 所示（shì），分為硬件層、硬件抽象層，中間層和應用（yòng）層。中間層包括一個實時操作係統FreeRTOS 和（hé）一個針（zhēn）對嵌入式環境（jìng）開（kāi）發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建了三個任務，232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息，Modbus_Task 負責存儲（chǔ） 解（jiě）析後的（de）流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信，LED_Task 是一個輔助（zhù）任務，主要用（yòng）來提示程序運行狀態。
3.2 軟件流程圖
圖 3 為 Modbus 通訊模塊的軟件流程圖（tú），創建的三個（gè）任務都是以 FreeRTOS 係統的消（xiāo）息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如（rú）圖 4 所示。為（wéi）保證供電穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副兩路 5V 電（diàn）源。
在 PC 上使用權（quán）威工具測試軟件 Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模（mó）塊進行測試。通訊模（mó）塊作（zuò）為（wéi） Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入（rù）寄存器（Input Register）存儲流量計數據。Modbus Poll 發送的測試（shì）命令字節流為：01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址，0x04 功能碼為讀取 輸入寄（jì）存器命令，0x0000 為讀取寄存器的起始地址，0x0014(20)為讀取（qǔ）寄存器的（de）個數，0xF0 0x05 為 CRC 校（xiào）驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中 ，Tx 為Modbus Poll 發送命令次數（shù），也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送（sòng）讀（dú）輸入寄存器命令 24140 次（發送間隔為（wéi） 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本（běn）文針對 FUS 熱式氣體流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水（shuǐ）監測設（shè）備通訊的問（wèn）題，自（zì）主設計並實現了一種基（jī）於微處理器STM32F407 的低成本 Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片（piàn） 上 移 植（zhí） 了 開（kāi） 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 係 統FreeRTOS，實現（xiàn）了對流量計表頭輸出文本（běn）的解析，以及與Modbus 主機的通訊，從（cóng）而實現了給 FUS 熱式氣（qì）體流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明，該通訊模塊工作（zuò）穩定可靠，具備了在較高通訊頻（pín）率下正確響應 Modbus 主機請（qǐng）求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊也具（jù）備一定的可拓展性，可應（yīng）用 在公司其（qí）它 FUS 熱式氣體流量（liàng）計上，並且很容易通過 485 總（zǒng）線與DCS 係統或 PLC 進（jìn）行通訊（xùn）。