一種基于Modbus協議的水煤氣流量計通訊模塊設計
點擊次數：2327 發布時間：2021-01-08 06:03:45
摘要：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 文本日志輸出，都無法與水利部門采 用 Modbus 協議的取水監測設備進行通信。針對此問題，本文自主設計并實現了一種支持Modbus 協議的通訊模塊，能夠實時解析 流量計表頭 232 端口輸出的文本信息，并將其轉換成 Modbus 協議報文，與取水監測設備進行通信。該通訊模塊具有結構簡單、可 拓展性強、成本低的優點。
1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式水煤氣流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸出，而水利部門的取水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議，物理層采用的是 RS485 標準，無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一問題，本文自主設 計并實現了一種支持 Modbus 協議的通信模塊，使得超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 系統架構
圖 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 水煤氣流量計表頭組成的系統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS水煤氣流量計表頭的 232 接口與流量計表頭通信；通過 485 接口，以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將水煤氣流量計的信息解析并封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備讀取。硬件方面，采用成熟的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
3.1 軟件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示，分為硬件層、硬件抽象層，中間層和應用層。中間層包括一個實時操作系統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建了三個任務，232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息，Modbus_Task 負責存儲 解析后的流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信，LED_Task 是一個輔助任務，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，創建的三個任務都是以 FreeRTOS 系統的消息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保證供電穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件 Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模塊進行測試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入寄存器（Input Register）存儲流量計數據。Modbus Poll 發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 輸入寄存器命令，0x0000 為讀取寄存器的起始地址，0x0014(20)為讀取寄存器的個數，0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中 ，Tx 為Modbus Poll 發送命令次數，也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送讀輸入寄存器命令 24140 次（發送間隔為 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本文針對 FUS 水煤氣流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水監測設備通訊的問題，自主設計并實現了一種基于微處理器STM32F407 的低成本 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 系 統FreeRTOS，實現了對流量計表頭輸出文本的解析，以及與Modbus 主機的通訊，從而實現了給 FUS 水煤氣流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明，該通訊模塊工作穩定可靠，具備了在較高通訊頻率下正確響應 Modbus 主機請求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊也具備一定的可拓展性，可應用 在公司其它 FUS 水煤氣流量計上，并且很容易通過 485 總線與DCS 系統或 PLC 進行通訊。
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1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式水煤氣流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸出，而水利部門的取水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議，物理層采用的是 RS485 標準，無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一問題，本文自主設 計并實現了一種支持 Modbus 協議的通信模塊，使得超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 系統架構
圖 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 水煤氣流量計表頭組成的系統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS水煤氣流量計表頭的 232 接口與流量計表頭通信；通過 485 接口，以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將水煤氣流量計的信息解析并封裝成 Modbus報文，提供給取水監測設備讀取。硬件方面，采用成熟的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
3.1 軟件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示，分為硬件層、硬件抽象層，中間層和應用層。中間層包括一個實時操作系統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層，主要創建了三個任務，232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息，Modbus_Task 負責存儲 解析后的流量計數據到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信，LED_Task 是一個輔助任務，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，創建的三個任務都是以 FreeRTOS 系統的消息（Message）來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保證供電穩定，使用了電源切換裝置給主板供電，共有主副兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件 Modbus poll，作為 Modbus主機對通訊模塊進行測試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入寄存器（Input Register）存儲流量計數據。Modbus Poll 發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 輸入寄存器命令，0x0000 為讀取寄存器的起始地址，0x0014(20)為讀取寄存器的個數，0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中 ，Tx 為Modbus Poll 發送命令次數，也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送讀輸入寄存器命令 24140 次（發送間隔為 1s，測試時間為 6.7 小時）；Err 為通訊錯誤數，Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次（錯誤數為 0）。
5 結論
本文針對 FUS 水煤氣流量計無 Modbus 通訊接口，無法與取 水監測設備通訊的問題，自主設計并實現了一種基于微處理器STM32F407 的低成本 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 系 統FreeRTOS，實現了對流量計表頭輸出文本的解析，以及與Modbus 主機的通訊，從而實現了給 FUS 水煤氣流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明，該通訊模塊工作穩定可靠，具備了在較高通訊頻率下正確響應 Modbus 主機請求的能力，達到了實用要求。該通訊模塊也具備一定的可拓展性，可應用 在公司其它 FUS 水煤氣流量計上，并且很容易通過 485 總線與DCS 系統或 PLC 進行通訊。
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