Modbus协议在金属管浮子流量计中的应用
随着通信技术、集成电路技术的发展,传统的现场检测仪器的智能化和数字化程度在逐渐提升。现场总线作为开放化、数字化、多点通讯的底层控制网络,成为了近代工业控制系统的热门研究项目。将Modbus通讯协议移植到金属管浮子流量计,使得检测仪表更具智能化和网络化,同时为实现数字化组网提供了可行接口。经过调试表明移植后的Modbus通讯协议可以实现基本功能,取得了预期的效果。
浮子流量计是一种经典的变面积式流量计，具有结构简单、直观、压损小、测量范围大、运行可靠、可测中小流量及低雷诺数流量、维护方便、寿命长，对仪表前后直管段长度要求不高等优点。 金属管浮子流量计可以适应高温、高压、强腐蚀、剧毒等多种苛刻环境，较少的可动部件、便于维护，解决了生产中的许多难题。
基于 Modbus 协议的金属管浮子流量计，通过选择低功耗的微处理器和通讯芯片，将具有开放协议的 Modbus 协议移植到传统的金属管浮子流量计中，使得仪表具有现场总线组网功能。
1.金属管浮子流量计整体结构设计
图1是金属管浮子流量计整体结构图。 流量测量过程可概括为： 磁阻传感器将浮子位移信号转化为电信号送给信号处理电路， 经过信号处理电路进行放大滤波后再经由 AD 采样模块采样，***后送给微处理器处理，微处理器经过一系列处理后得到当前流量信息， 送给液晶模块显示或者通过 Modbus 模块将信号远传给其他设备使用。
2.Modbus 模块硬件电路设计
Modbus 通信协议有两种串行传输模式：ASCII 模式和 RTU（远程终端单元）模式，与这两种模式对应的帧格式是ASCII 帧格式和 RTU 帧格式。 本文采用 RTU 帧格式，其数据帧格式为如表 1 所示。
一次发送的数据帧必须是作为一个连续的数据流进行传输。Modbus 的 RTU 模式规定不同数据帧之间的间隔是 3．5 个字节通信时间以上（即起始位和结束符 T1－T2－T3－T4）。
CRC 校验是为了防止传送过程中传输错误，将自己计算的校验码与接收的校验码进行对比， 相同则确认接收正确继续解析报文，否则接收到的是误码并停止解析报文。
Modbus 通讯模块硬件电路比较简单 ，采用 MAXIM（美信 ）公司的 Max3072 芯片将数字信号转换为差压信号传输，图 2 为Modbus 通讯模块硬件设计图， 通过 USART 与 CPU 进行数据交互。
Modbus 模块通过两根串口线 RX＿485 和 TX＿485 与 CPU相连，经过 MAX3072 后转化为差压信号在 485 总线上传输，差压信号幅值在 200mV 左右。
3.Modbus 模块软件设计
Modbus 通讯模块功能是实现流量仪表与主机或其他设备的数据交互，Modbus 模块的信号是通过 RS485 总线进行传输，其状态转换图如图 3 所示。
程序初始化结束后， 首先进入初始状态。 由于 Modbus 协议规定两次帧数据传输的时间间隔不能小于 30μs，因此在进入初始状态后会开启定时器，30μs 以后进入就绪状态。 有数据传输时，进入接收状态，帧数据接收完成后进入帧解析封装状态，若接收数据出错则进入错误状态，封装后再进入发送状态， 若数据正确则直接完成封装进入发送状态，数据发送完成后则再次进入初始状态。 Modbus 模块软件设计流程图如图 4 所示。
4.系统调试
Modbus 通讯模块验证实验的目的是验证流量仪表能否通过 485 总线实现流量信息与控制台的信息交互。 本文应用Modbus 调试助手软件模拟控制台与 Modbus 模块进行通信 ，验证 Modbus 模块能否实现正常通讯。 图 5 是 Modbus 模块与控制台通信的电路连接图。
为验证 Modbus 模块通讯的正确性， 本文通过 Modbus 调试助手往 Modbus 模块下发数据，若能返回正确数据，则证明通讯成功。 图 6 为通过 Modbus 调试助手与 Modbus 模块通讯图。
03（0x03）命令为例进行调试的测试结果图 ，03 命令的能是读取特定寄存器的值。 串口调试助手下发的数据为 “01 03 00 00 00 01 84 0A”， 其中 01 为设备地址，03 为命令码，00 00 为起始地址 ，00 01 为寄存器数量 ，84 0A 为 CRC 校验码。 Modbus 回发数据为 “01 03 02 08 10 BE 48”，其中 01为设备地址，03 为命令码，02 为字节数，08 10 为寄存的值，BE 48 为 CRC 校验码。 测试结果表明，Modbus 模块能正常工作。
5.结束语
选择低功耗的微处理器和通讯芯片， 将具有开放协议的Modbus 协议移植到传统的金属管浮子流量计中，实现了硬件平台设计和软件平台设计，调试结果表明，移植后的 Modbus 协议能够与控制台实现实时通信，使得仪表具有现场总线组网功能。