隨著通信技術、集成電路技術的發展,傳統的現場檢測儀器的智能化和數字化程度在逐漸提升?，F場總線作為開放化、數字化、多點通訊的底層控制網絡,成為了近代工業控制系統的熱門研究項目。將Modbus通訊協議移植到金屬管浮子流量計,使得檢測儀表更具智能化和網絡化,同時為實現數字化組網提供了可行接口。經過調試表明移植后的Modbus通訊協議可以實現基本功能,取得了預期的效果。

浮子流量計是一種經典的變面積式流量計，具有結構簡單、直觀、壓損小、測量范圍大、運行可靠、可測中小流量及低雷諾數流量、維護方便、壽命長，對儀表前后直管段長度要求不高等優點。 金屬管浮子流量計可以適應高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等多種苛刻環境，較少的可動部件、便于維護，解決了生產中的許多難題。

基于 Modbus 協議的金屬管浮子流量計，通過選擇低功耗的微處理器和通訊芯片，將具有開放協議的 Modbus 協議移植到傳統的金屬管浮子流量計中，使得儀表具有現場總線組網功能。

1.金屬管浮子流量計整體結構設計

圖1是金屬管浮子流量計整體結構圖。 流量測量過程可概括為： 磁阻傳感器將浮子位移信號轉化為電信號送給信號處理電路， 經過信號處理電路進行放大濾波后再經由 AD 采樣模塊采樣，***后送給微處理器處理，微處理器經過一系列處理后得到當前流量信息， 送給液晶模塊顯示或者通過 Modbus 模塊將信號遠傳給其他設備使用。

2.Modbus 模塊硬件電路設計

Modbus 通信協議有兩種串行傳輸模式：ASCII 模式和 RTU（遠程終端單元）模式，與這兩種模式對應的幀格式是ASCII 幀格式和 RTU 幀格式。 本文采用 RTU 幀格式，其數據幀格式為如表 1 所示。

一次發送的數據幀必須是作為一個連續的數據流進行傳輸。Modbus 的 RTU 模式規定不同數據幀之間的間隔是 3．5 個字節通信時間以上（即起始位和結束符 T1－T2－T3－T4）。

CRC 校驗是為了防止傳送過程中傳輸錯誤，將自己計算的校驗碼與接收的校驗碼進行對比， 相同則確認接收正確繼續解析報文，否則接收到的是誤碼并停止解析報文。

Modbus 通訊模塊硬件電路比較簡單 ，采用 MAXIM（美信 ）公司的 Max3072 芯片將數字信號轉換為差壓信號傳輸，圖 2 為Modbus 通訊模塊硬件設計圖， 通過 USART 與 CPU 進行數據交互。

Modbus 模塊通過兩根串口線 RX＿485 和 TX＿485 與 CPU相連，經過 MAX3072 后轉化為差壓信號在 485 總線上傳輸，差壓信號幅值在 200mV 左右。

3.Modbus 模塊軟件設計

Modbus 通訊模塊功能是實現流量儀表與主機或其他設備的數據交互，Modbus 模塊的信號是通過 RS485 總線進行傳輸，其狀態轉換圖如圖 3 所示。

程序初始化結束后， 首先進入初始狀態。 由于 Modbus 協議規定兩次幀數據傳輸的時間間隔不能小于 30μs，因此在進入初始狀態后會開啟定時器，30μs 以后進入就緒狀態。 有數據傳輸時，進入接收狀態，幀數據接收完成后進入幀解析封裝狀態，若接收數據出錯則進入錯誤狀態，封裝后再進入發送狀態， 若數據正確則直接完成封裝進入發送狀態，數據發送完成后則再次進入初始狀態。 Modbus 模塊軟件設計流程圖如圖 4 所示。

4.系統調試

Modbus 通訊模塊驗證實驗的目的是驗證流量儀表能否通過 485 總線實現流量信息與控制臺的信息交互。 本文應用Modbus 調試助手軟件模擬控制臺與 Modbus 模塊進行通信 ，驗證 Modbus 模塊能否實現正常通訊。 圖 5 是 Modbus 模塊與控制臺通信的電路連接圖。

為驗證 Modbus 模塊通訊的正確性， 本文通過 Modbus 調試助手往 Modbus 模塊下發數據，若能返回正確數據，則證明通訊成功。 圖 6 為通過 Modbus 調試助手與 Modbus 模塊通訊圖。

03（0x03）命令為例進行調試的測試結果圖 ，03 命令的能是讀取特定寄存器的值。 串口調試助手下發的數據為 “01 03 00 00 00 01 84 0A”， 其中 01 為設備地址，03 為命令碼，00 00 為起始地址 ，00 01 為寄存器數量 ，84 0A 為 CRC 校驗碼。 Modbus 回發數據為 “01 03 02 08 10 BE 48”，其中 01為設備地址，03 為命令碼，02 為字節數，08 10 為寄存的值，BE 48 為 CRC 校驗碼。 測試結果表明，Modbus 模塊能正常工作。

5.結束語

選擇低功耗的微處理器和通訊芯片，  將具有開放協議的Modbus 協議移植到傳統的金屬管浮子流量計中，實現了硬件平臺設計和軟件平臺設計，調試結果表明，移植后的 Modbus 協議能夠與控制臺實現實時通信，使得儀表具有現場總線組網功能。