基于MODBUS協議的智能變送器研究鄭貴林，黃雄輝（武漢大學自動化系，湖北武漢430072）造和軟件設計思想，并說明使用FIX組態軟件和API函數實現MODBUS主站通信的兩種方法，該網絡結構可以實現512個從節點與主站間的MODBUS通信。應用表明：該設計簡單實用，發揮了MODBUS的主要性能優點，對其他同類型智能儀器及系統的設計開發有一定的借鑒作用。

　　1基于MODBUS智能變送器設計的智能變送器是在分體式液位壓力模擬變送器的基礎上改造而成，主要功能是采集和處理單路液位壓力信號、解析和封裝通信報文并實現MODBUS協議。智能壓力變送器通過RS? 485通信總線接口連接主站（PLC或IPC）和其他從站設備，構建MOD-BUS網絡，完成開放式遠程數據采集和監控功能。

　　1.1硬件設計硬件電路部分以AT89C2051單片機為核心，使用12位串行A/D轉換器ADS7816采集前端壓力模擬信號，采集數據經半雙工RS*485芯片SN65HVD3082E向MODBUS網絡其他設備傳輸。硬件各部分大多選用尺寸小、功耗低、外圍電路簡單的新型工業級貼片元件，設計電路的結構簡潔、緊湊。

　　硬件電路原理框圖如所示。

　　1.1.1前端壓敏元件及信號調理電路硬件電路原理框圖0592MHz晶振，采用軟件復位。

　　設計電路使用了AT89C2051的15根可編程I/O引線，其中P1口和P3口有8根引腳與8位DIP開關連接，用于設定MODBUS地址；P1.7~P1.5用作串行A/D轉換器的片選、串行數據輸出和時鐘信號；P3.0、P31和P1.4接入SN65HVD3082E的接收輸入、發射輸出和收發使能端；P3.7用作，叩監控芯片IMP813L的看門狗輸入信號。

　　電路使用的+5V電源采用BB公司的DC?DC芯片DCP012405BP.DCP012405BP是一種小型化、隔離型的DC*DC電源芯片，輸入和輸出電壓分別是+ 24V和+5V，它的外圍電路極少，僅在輸入、輸出與收稿曰期：2004-04- 30修改稿日期：2005*01*20地之間加入47呷電容改善紋波和荷載瞬態響應，且前端壓敏元件及信號調理電路用于采集液位壓力信號，進行濾波放大、零點校正、線性化、溫度及靈敏補償等信號處理，輸出一路標準的4~20mA信號。這部分由模擬變送器組成，作為整個分體式壓力變送器的前端，硬件的其他部分則置于接線盒內。

　　1.1.2單片機及附屬電路AT89C2051是ATMEL公司生產的高性價比單片機，其引腳功能和指令系統與MCS? 51完全兼容，只減少P0和P1口。電路中，AT89C2051不擴展片外存具有內部過熱保護及輸出短路保護等功能，用作供電電源非常適合。

　　1.1.3串行數據采集電路串行數據采集電路由八變換單元、電壓基準源和串行A/D轉換器組成。VA變換單元應用精度為0.1%，溫度系數為*5X16/*C的高精密電阻，把前端輸入的4~20mA信號變換成直流小電壓信號作為串行A/D轉換器的輸入。A/D轉換器的電壓基準源1.2.2A/D采樣子程序A/D采樣子程序由通信子程序調用，完成接收和處理ADS7a6輸出數據的功能。

　　如所示，當ADS7a6的CS接收下降沿信號時，A/D轉換和數據串行輸出過程完成初始化。ADS7816在DCLK接收的比較初的1.5到來時，Dout輸出信號有效，首先輸出1個時鐘周期的采用精密電壓基準芯片REF02. A/D轉換器采用12位的串行模數轉換器ADS7816.其內部集成了大帶寬跟蹤/保持電路和串行接口，結構簡單，轉換速率高且功耗低，在體積、功耗和精度上都能滿足智能變送器的要求。

　　1.1.4通信接口電路通信總線接口電路采用TI公司的RS*485接口芯片SN65HVD3082E.它將RS*485通信中各種故障（包括瞬變電壓、ESD、電磁干擾、總線開路、總線短路、總線休閑、熱故障等）的防范措施集成到一個芯片內，較好地解決了RS?485通信中常見故障。該芯片功耗極低，除負載外供電電流一般小于0.6mA，關閉模式下降到幾nA.但它負載能力很強，可以支持256個收發器，強噪聲環境中波特率比較大可達200kbit/s. 485串行通信，SN65HVD3082E的收、發使能端共同連接AT89C2051 1.2軟件設計軟件設計主要由主程序、通信子程序和A/D采樣子程序組成，采用查詢方式實現與外部MODBUS網絡的通信。

　　1.2.1主程序主程序由初始化、看門狗置位/清零、通信子程序組成。除通信子程序外，主程序主要進行本站內存單元分配、MODBUS地址讀取、串行口等器件的工作方式和參數設置等任務，為系統正常工作創造條件。主程序框圖如所示。

　　初始化部分完成AT89C2051的串行口、定時計數器1的參數的初值設定，分配各種數據所需的內存存儲空間。其中定時器1運行在工作方式2，串口工作方式定為波特率可變的11位異步接收和發送方式（方式3），不允許多機通信，接收和發送的第9位數據位都為1，波特率為9600bit/s.通訊循環子程序的前后寫入看門狗置位/清零語句，不斷監視其循環運行。

　　低電平，然后依次輸出12位模數轉換數據，比較先輸出MSB位B11，比較后輸出B0.輸出的每位串行數據在時鐘的上升沿輸出，在下降沿有效。在比較后一位輸出數據的同步時鐘脈沖的下降沿到達時，當高電平信號輸入CS引腳，Dout的輸出將呈高阻態，同時結束一次完整的模數轉換及數據串行輸出過程。

　　A/D轉換過程的時序圖ADS7816串行數據接口的Dout和DCIK通常與AT89C2051串口的RXD和TXD連接，采用移位寄存器輸入/輸出方式（串口工作方式0）輸出采樣數據。但AT89C2051的串口實現RS? 485通信，故電路使用P1.7、P1.6和P1.5連接CS、Dct和DCLK引腳，模擬串口實現數據串行輸出，其原理流程圖如所示。

　　流程圖中調整A/D轉換數據高低位數據通過循環移位語句實現，丟棄第1次采集數據是剔除ADS7816采樣保持器保存的前次采樣數據，采樣數據處理部分則抑制隨機干擾誤差，得到更可靠、準確的采樣數據。

　　1.2.3通信子程序通信子程序實現MODBUS通信協議，是軟件設計的核心部分。

　　通信子程序采用智能儀器常用的MODBUS停止位（無奇偶校驗）構成。使用MODBUS的03和08功能，分別用于讀取壓力變送器A/D采樣數值和回送各種通信診斷信息，其中03功能的數據格式如下。

　　地址功能碼寄存器首地址寄存器數CRC校驗碼響應數據幀格式：地址功能碼數據字節數采樣數據CRC校驗碼03功能在MODBUS協議中是實現保持寄存器讀取功能，此類寄存器地址設為4XXXX格式。對于所設計的壓力變送器，主站只需讀取1個寄存器的數據，即1路壓力采樣信號。

　　通信子程序采用查詢方式實現單工通信，流程框如所示。

　　據流的形式傳送，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字符是一幀新報文的地址域。從可知，程序首先對SN65HVD3082E收發使能端清零，使只允許接收串行數據。然后，利用以下C51代碼延時1.5個字符傳輸時間，判斷是否接收到報文消息。

　　CLOSE；//延時1.5字符時間，若未收到數據轉CUBE退出通信子程若沒收到報文，退出通信子程序；若收到報文，通過對中斷標志位RI進行清零操作，依次接收報文的各字符段。接收完一幀報文后，程序對收發使能端置位，使只允許發送串行數據。接著，程序依次檢驗CRC碼、地址代碼和功能代碼，并依據MODBUS協議式進行二進制除法運算。為節省代碼存儲空間，選用二進制除法運算。

　　2MODBUS主站通信的實現FIX組態軟件開發方式使用FIX7.0組態軟件實現MODBUS主站通信的基本操作如下：10d驅動程序（MB1）。）的MB1DriverConfiguration驅動器配置，選擇Channel通道，在Setup窗口設置端口、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、流量控制、報文傳輸模式、報文丟失重發次數、響應超時時間等通信參數。接著在MB1DriverConfiguration確定MODBUS從站名稱和地址（DeviceName與PmaiyStation），把AddressingType和BitBase欄設為5一Digit和0~15，使用4XXXX形式表示保持寄存器地址，以0表示起始寄存器。然后在I/OBlock列表添加1條輪詢記錄，設置所查詢的寄存器的起始地址、結束地址、數據類型等參數。比較后保存驅動器配置各參數。

　　類型記錄，在其AnalogInputBlock窗口設置基本參數：TagName設置記錄名、ScanTimes設置輪詢次數、HardwareSpecifications中的Device和I/OAddress設為MB1和“從站名稱：寄存器起始地址”格式的參數。

　　0數據庫輪詢記錄，實現MOBUS監控系統通信。

　　API函數開發方式使用IPC作為主站時，利用高級語言自編MOD-JS通信程序通常有采用MSComm或其他類似通信控件和調用API函數。方法一簡單但不夠靈活，設計在Vd6.0環境下調用API函數開發主站通信程序，其主要步驟如下：返回一個操作句柄，否則返回INVALIDHANDLEVALUE.設置與從站一致的串口通信參數。修改這些參數則使用設備控制塊DCB結構體。

　　設置串口通信監視事件。程序在I/O中，將（）函數設置事件屏蔽來監視指定通信資源上的這組事件。

　　進行超時設置，為通信中的中斷、停止等不可預測事件的發生作安全防范措施。超時設置首先設定COMMTIMEOUTS結構中的5個變量，然后調用Set-對各種情況作出相應處理，比較后退出通信子程序，完成1個循環查詢工作周期。CommTimeouts（）函數設定超時值。

　　計算CRC校驗碼有建立CRC校驗碼表和根據公（5）調用ReadFile（wrteFile（）函數接收和發送報文數據，按照MODBUS協議的命令和要求實現與從站的查詢一響應過程，實現數據監控系統通信。

　　3結束語MODBUS現場總線通信協議具備功能強、通信效率高、開放性好等優點，設計的智能壓力變送器在某小型水電站監控系統的應用中取得良好效果，發揮了MODBUS的主要性能優點，對其它同類型智能儀器及系統的設計開發有一定的借鑒作用。