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一（yī）種基於Modbus協議的乙烯流量計通訊（xùn）模塊設計
點擊次數：2117 發布時間：2021-01-08 07:19:02
摘要（yào）：西門子 SITRANS FUS 超聲波流量的表頭支持 4-20mA 電流信號輸出和 RS232 文本日誌輸出（chū），都無（wú）法與水利部門采 用 Modbus 協議的取水監測設備進行通信。針對此問題，本文自主設計並實現了一種支（zhī）持Modbus 協議的通訊模塊，能夠實時解析 流量計（jì）表（biǎo）頭 232 端口輸出的文本信息，並將其轉換成 Modbus 協議報文（wén），與取水監測設備進行通信。該通（tōng）訊模塊具有（yǒu）結構簡單、可 拓展性強、成（chéng）本低的優點。
1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式乙烯流量計的（de）標準表頭支 持 4- 20mA 電流（liú）信號輸出，而（ér）水利（lì）部門的取水監測設備（bèi）應用層 采（cǎi）用的是 Modbus 協議，物理層采用的是 RS485 標準，無法（fǎ）與SITRANS FUS 流量計（jì）的表（biǎo）頭通信（xìn）。針對這一問題，本文自主設 計並實現了一種支（zhī）持 Modbus 協議的通（tōng）信模塊，使得超（chāo）聲波流量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行通訊。
2 係統架構
圖（tú） 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 乙烯流量計表頭（tóu）組成的係統架構示意圖。該模塊通過（guò）SITRANS FUS乙烯流量計表頭的 232 接口與（yǔ）流量（liàng）計表頭通信；通過 485 接口（kǒu），以 Modbus 協議與水利部（bù）門的取水（shuǐ）監測（cè）設（shè）備通信。通訊模塊將乙烯流量（liàng）計的信息解（jiě）析並封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備（bèi）讀（dú）取。硬件方麵，采（cǎi）用成（chéng）熟的STM32F407 開發板，帶有 232 接口和 485 接口，本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計（jì）
3.1 軟（ruǎn）件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示，分為硬件層、硬件抽（chōu）象層，中間層和應用層。中間層包括一個實時操作係統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境（jìng）開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建（jiàn）了三個任務（wù），232_Task 負責讀 取和解析流量計表（biǎo）頭輸出（chū）的文（wén）本信息，Modbus_Task 負責存儲 解析後的流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監（jiān）測設備通信，LED_Task 是一個輔助任務（wù），主要用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，創建（jiàn）的三個（gè）任務都是以 FreeRTOS 係統的消息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保（bǎo）證供電（diàn）穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副（fù）兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件（jiàn） Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模塊進（jìn）行測（cè）試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊（xùn）模塊內部使用Modbus 的輸入（rù）寄存器（Input Register）存儲（chǔ）流量計數據。Modbus Poll 發（fā）送的測試命令字節流為：01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址，0x04 功能碼為讀取 輸（shū）入寄存器命令，0x0000 為（wéi）讀取寄存器的起始地（dì）址，0x0014(20)為讀取寄存器的個數，0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊（xùn）測試結果如圖 5 所（suǒ）示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中（zhōng） ，Tx 為Modbus Poll 發（fā）送命令次數，也就是說在測試期間（jiān） Modbus Poll軟件共（gòng）發送讀輸入寄存器命令 24140 次（發送（sòng）間隔為（wéi） 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊（xùn）錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模（mó）塊（kuài）正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本文（wén）針對（duì） FUS 乙烯（xī）流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水監測設備（bèi）通訊的問題，自主設計並實（shí）現了一種基於微（wēi）處（chù）理器STM32F407 的低成本（běn） Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片 上 移 植 了 開 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 係 統（tǒng）FreeRTOS，實現了對流量計表頭輸出文本的解析，以及（jí）與Modbus 主機的（de）通訊，從而實現了給 FUS 乙烯流量計表頭增加Modbus 通訊的（de）功能。測試結（jié）果表明，該通訊模塊工作穩（wěn）定可靠，具備（bèi）了在較高通訊頻率下正確響（xiǎng）應 Modbus 主機請求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊（kuài）也具備一（yī）定的可（kě）拓展（zhǎn）性，可應用 在（zài）公司其它 FUS 乙烯流量計上，並且很容易（yì）通過（guò） 485 總（zǒng）線與DCS 係統或 PLC 進行通訊。
1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式乙烯流量計的（de）標準表頭支 持 4- 20mA 電流（liú）信號輸出，而（ér）水利（lì）部門的取水監測設備（bèi）應用層 采（cǎi）用的是 Modbus 協議，物理層采用的是 RS485 標準，無法（fǎ）與SITRANS FUS 流量計（jì）的表（biǎo）頭通信（xìn）。針對這一問題，本文自主設 計並實現了一種支（zhī）持 Modbus 協議的通（tōng）信模塊，使得超（chāo）聲波流量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行通訊。
2 係統架構
圖（tú） 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 乙烯流量計表頭（tóu）組成的係統架構示意圖。該模塊通過（guò）SITRANS FUS乙烯流量計表頭的 232 接口與（yǔ）流量（liàng）計表頭通信；通過 485 接口（kǒu），以 Modbus 協議與水利部（bù）門的取水（shuǐ）監測（cè）設（shè）備通信。通訊模塊將乙烯流量（liàng）計的信息解（jiě）析並封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備（bèi）讀（dú）取。硬件方麵，采（cǎi）用成（chéng）熟的STM32F407 開發板，帶有 232 接口和 485 接口，本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計（jì）
3.1 軟（ruǎn）件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示，分為硬件層、硬件抽（chōu）象層，中間層和應用層。中間層包括一個實時操作係統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境（jìng）開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建（jiàn）了三個任務（wù），232_Task 負責讀 取和解析流量計表（biǎo）頭輸出（chū）的文（wén）本信息，Modbus_Task 負責存儲 解析後的流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監（jiān）測設備通信，LED_Task 是一個輔助任務（wù），主要用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，創建（jiàn）的三個（gè）任務都是以 FreeRTOS 係統的消息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保（bǎo）證供電（diàn）穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副（fù）兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件（jiàn） Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模塊進（jìn）行測（cè）試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊（xùn）模塊內部使用Modbus 的輸入（rù）寄存器（Input Register）存儲（chǔ）流量計數據。Modbus Poll 發（fā）送的測試命令字節流為：01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址，0x04 功能碼為讀取 輸（shū）入寄存器命令，0x0000 為（wéi）讀取寄存器的起始地（dì）址，0x0014(20)為讀取寄存器的個數，0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊（xùn）測試結果如圖 5 所（suǒ）示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中（zhōng） ，Tx 為Modbus Poll 發（fā）送命令次數，也就是說在測試期間（jiān） Modbus Poll軟件共（gòng）發送讀輸入寄存器命令 24140 次（發送（sòng）間隔為（wéi） 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊（xùn）錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模（mó）塊（kuài）正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本文（wén）針對（duì） FUS 乙烯（xī）流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水監測設備（bèi）通訊的問題，自主設計並實（shí）現了一種基於微（wēi）處（chù）理器STM32F407 的低成本（běn） Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片 上 移 植 了 開 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 係 統（tǒng）FreeRTOS，實現了對流量計表頭輸出文本的解析，以及（jí）與Modbus 主機的（de）通訊，從而實現了給 FUS 乙烯流量計表頭增加Modbus 通訊的（de）功能。測試結（jié）果表明，該通訊模塊工作穩（wěn）定可靠，具備（bèi）了在較高通訊頻率下正確響（xiǎng）應 Modbus 主機請求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊（kuài）也具備一（yī）定的可（kě）拓展（zhǎn）性，可應用 在（zài）公司其它 FUS 乙烯流量計上，並且很容易（yì）通過（guò） 485 總（zǒng）線與DCS 係統或 PLC 進行通訊。