基于modbus通信協(xié)議智能流量計(jì)設(shè)計(jì)

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1、基于Modbus通信協(xié)議智能流量計(jì)設(shè)計(jì)　　摘要：為了Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議在一種流量計(jì)上的實(shí)現(xiàn)，給出了該實(shí)現(xiàn)的第一步——原型機(jī)搭建的具體過(guò)程。系統(tǒng)采用了AVR單片機(jī)和RS-485通信總線，采用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，以軟件工程所定義的開發(fā)流程，從需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和維護(hù)等方面對(duì)系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；流量計(jì)；Modbus；RS-485中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044（2013）20-4710-04在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量是需經(jīng)常測(cè)量和控制的參數(shù)之一，隨著流量計(jì)功能的擴(kuò)展，已經(jīng)把溫度、壓力等變量的采集與流

2、量整合成一個(gè)儀表，完成了原先需要采用流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)和二次儀表才能完成的功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線在儀表中的使用日益廣泛起來(lái)。目前使用較多的現(xiàn)場(chǎng)總線有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FoundationFieldbus，簡(jiǎn)稱FF），基于CAN通信的DeviceNet，以Siemens等為首的PROFIBUS，Rosemount的HART，三菱電機(jī)為主導(dǎo)推出的CC-Link等[1]?，F(xiàn)需要在原有的流量?jī)x表上加入Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信的功能，搭建Modbus現(xiàn)場(chǎng)通信的平臺(tái)，以及制作基于Modbus通信的樣機(jī)。1需求分析9需求分析是一個(gè)項(xiàng)目的開端，也是項(xiàng)目建設(shè)的基石。在以往建設(shè)失敗的項(xiàng)目

3、中，80%是由于需求分析的不明確而造成的[2]。因此一個(gè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素之一，就是對(duì)需求分析的把握程度。渦輪流量計(jì)是運(yùn)用最為廣泛。目前正在進(jìn)行開發(fā)的是智能渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)換器，具備流量系數(shù)的分段修正、可選的溫度壓力補(bǔ)償?shù)裙δ?，需要設(shè)置的參數(shù)和需要讀取的過(guò)程變量比前幾代都有明顯的提高。因此亟需采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式對(duì)儀表進(jìn)行訪問(wèn)。根據(jù)之前的預(yù)研，確定采用RS-485總線加Modbus通信協(xié)議作為智能流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的通信方式。使程序?qū)崿F(xiàn)最基本的Modbus通信功能：波特率固定為19200bps，校驗(yàn)為偶校驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)最基本的寄存器讀寫訪問(wèn)，如Modbus的03號(hào)功能ReadH

4、oldingRegister、04號(hào)功能ReadInputRegister和06號(hào)功能WriteSingleRegister[3]。2概要設(shè)計(jì)9為了能與智能流量計(jì)轉(zhuǎn)換器程序上無(wú)縫接軌，在選擇單片機(jī)是使用了與轉(zhuǎn)換器一致的ATmega168芯片。但是為了原型板的搭建方便，盡管在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中采用了貼片封裝的芯片，此處還是選擇了雙列直插芯片。兩者僅封裝不同，在功能上對(duì)于實(shí)現(xiàn)通信功能是完全一致的[4]。對(duì)于通信部分RS-485的物理層接口芯片選擇了目前廣泛使用的MAX485芯片。該芯片為MAXIM公司出品，供電電壓為5V[5]。為了配合5V芯片，采用78L05作為整機(jī)的供

5、電。儀表輸入電壓為12V～24V通用。在ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)模型中，將網(wǎng)絡(luò)分為七層，從下至上依次是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。Modbus在串行鏈路RS-485上的實(shí)現(xiàn)采用了其中的三層——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層[6]。本儀表采用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，支持AVR系列單片機(jī)的C編譯器主要有CodeVisionAVR、AVR-GCC、IAR、ICCAVR等。C語(yǔ)言編譯器由于它具有功能強(qiáng)大、運(yùn)用靈活、代碼小、運(yùn)行速度快等先天性的優(yōu)點(diǎn)，使得它在專業(yè)程序設(shè)計(jì)上具有不可代替的地位。3詳細(xì)設(shè)計(jì)本儀表采用MAXIM公司的485接口芯片MAX485作為

6、物理層芯片，并連接到ATmega168的通用串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。下圖為整個(gè)儀表原型機(jī)的電路圖：電路中使用78L05作為穩(wěn)壓芯片，由于設(shè)計(jì)儀表輸入電壓為12V～24V±20%，使用78L05即可滿足需求。D1的作用是防止電源反接燒壞儀表。9物理層除了硬件部分，也包含部分的軟件。這些軟件的功能是將物理層接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈路層，或是將數(shù)據(jù)鏈路層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入物理層硬件設(shè)備。這部分軟件的主要功能是操作ATmega168的特殊功能寄存器，將UART收到的數(shù)據(jù)存入特定的緩沖區(qū)，或?qū)⒕彌_區(qū)的數(shù)據(jù)向UART寫入并通過(guò)ATmega168發(fā)送。在本次設(shè)計(jì)中，UART的波特

7、率固定為19200bps；數(shù)據(jù)位由于使用ModbusRTU模式，固定為8位，停止位1位；奇偶校驗(yàn)采用偶校驗(yàn)。3.1數(shù)據(jù)鏈路層軟件根據(jù)MODBUSApplicationProtocolSpecificationV1.1b的描述，Modbus協(xié)議定義了一種簡(jiǎn)單的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit，PDU），它是與下層通訊協(xié)議（如RS485、以太網(wǎng)等）無(wú)關(guān)的。而下層特定的數(shù)據(jù)單元將ModbusPDU進(jìn)行封裝，并被命名為應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ApplicationDataUnit，ADU），如下圖所示：數(shù)據(jù)鏈路層在一個(gè)Modbus設(shè)備中的功能是在物理層和應(yīng)用層間建立

8、一個(gè)聯(lián)系，將物理層接收到