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1引言
Modbus協(xié)議是某公司于1979年開發(fā)的一種通信協(xié)議，可實現(xiàn)與控制器之間的通信。Modbus協(xié)議被大部分數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)和人機界面軟件支持，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準。
傳統(tǒng)的稱重控制行業(yè)稱重數(shù)據(jù)的上傳一般是通過稱重控制器將重量信號轉換成電流信號（一般是4mA-20mA信號）,傳遞的稱重數(shù)據(jù)存在較大的誤差，而如果通過串口總線直接讀取多臺稱重儀表上的計量數(shù)據(jù)，可以保證數(shù)據(jù)的實時準確性。Modbus協(xié)議是主從站通信協(xié)議，用異步串口完成通信，物理層采用RS484或RS232。傳輸速率可以達到115kb/s。通信采用命令/應答方式，每一種命令幀對應一個應答帔。命令幀由主機發(fā)出，所有從機都將收到報文，但只有被尋址的從機才會響應命令，返回相應的應答幀，如果報文中尋址地址為0,則被視為全局廣播，所有從機都把它當一條命令執(zhí)行，不返回應答幀。Modbus通信協(xié)議有兩種傳送方式，RTU方式和ASCII方式。RTU模式相對于ASCII模式主要優(yōu)點是表達相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。在通常情況下，一般工業(yè)智能儀表都是采用RTU模式的Modbus規(guī)約。
上海某稱重系統(tǒng)有限公司最近推出的控制儀表XK3190-C801和XK3190-C802（以下簡稱C801和C802）都已內建了標準的ModbusRTU傳輸格式的標準協(xié)議，經(jīng)測試可與眾多廠家的組態(tài)軟件適配，如亞控科技的組態(tài)王軟件，北京三維力控的Forcecontrol,威綸通科技的EB8000組態(tài)系列，昆侖通泰的MCGSE組態(tài)軟件，都有成功的應用范例。本文主要是詳解C801和C802儀表通過ModbusRTU協(xié)議與威綸通觸摸屏通信的研究與實現(xiàn)。
2系統(tǒng)控制方案
本系統(tǒng)主要采用觸摸屏、稱重控制器、電流表、模擬傳感器組成。一臺觸摸屏通過RS485總線連接四臺稱重控制器。

如圖1所示系統(tǒng)組成部分為：2.1模擬傳感器：輸出為mV信號。

2.2稱重控制儀表：C801和C802是同步研發(fā)的兩款稱重控制儀表，他們都具有體積小、強變送、AD轉換精度高、采用32位高速高性能ARM處理器、帶全隔離0-5V/0-10V/4-20mA模擬量輸出以及光電隔離20mA電流環(huán)大屏幕顯示接口等優(yōu)點，兩者功能基本相同，都支持Modbus-Rtu協(xié)議，他們的主要不同點是安裝方式不同，C801是35mm導軌安裝，C802是面板嵌入式安裝，開口尺寸是91mmx45mm;C801標配隔離式開關量三入三出控制，C802標配隔離式開關量二入二出控制；C801開關量輸出和大屏幕顯示接口互相獨立，可同時使用，而C802開關量輸出和光電隔離20mA電流環(huán)大屏幕顯示接口復用，不能同時使用?？傊瓹801和C802都適用于各種高速與高精度稱重要求的控制場合，都集成了加法秤、減法秤、分選秤等功能，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需求自主選擇所用儀表。本系統(tǒng)以C801為例。
2.3觸摸屏：本系統(tǒng)采用某科技有限公司生產(chǎn)的觸摸屏，型號是TK6070ip,具有強大的圖形顯示功能和數(shù)據(jù)處理功能，并支持RS-232和RS-485兩種通訊接口，廣泛應用于機械、紡織、電氣、包裝、化工等行業(yè)。配備圖形功能強大且簡單易用的組態(tài)軟件EasyBuilder8000o用戶可創(chuàng)建出直觀的屏幕畫面，完成監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳顯示和修改等畫面的設計。
2.4電流表：控制儀表C801接電流表演示4mA-20mA模擬量輸出，模擬量輸出跟C801儀表稱重數(shù)據(jù)線性同步，準確度0.2%；另外用戶可根據(jù)需要修改C801主板上模擬量短路環(huán)的位置將儀表改為0V-5V或0V-10V輸出。
3系統(tǒng)控制軟件設計
本系統(tǒng)可通過觸摸屏連接稱重儀表實現(xiàn)功能：
(1)4臺稱重儀表稱重數(shù)據(jù)和指示燈狀態(tài)信息可在觸摸屏上實時同步顯示；
(2)按鍵功能實現(xiàn)置零、除皮、啟動和停止配料程序；
(3)可實現(xiàn)標定，標定密碼可修改；
(4)可查詢和修改儀表配料參數(shù)；
(5)可査詢配料累計次數(shù)和累計重量；
(6)可査詢和修改儀表通信站號，修改后需重新連接通信；
3.1觸摸屏界面設計及功能實現(xiàn)
本系統(tǒng)設計了以下界面：
(1)主監(jiān)控界面：如圖2所示四臺儀表主監(jiān)控界面可直觀顯示整個配料控制系統(tǒng)的輸入輸出工作狀況、儀表狀態(tài)信息，從主監(jiān)控界面單按下置零、除皮、啟動、停止按鈕，可分別對C801儀表實現(xiàn)置零、除皮、啟動、停止動作，按下設置按鈕還可以進入每個儀表的配方界面，按下標定按鈕還可以進入每個儀表的標定界面。

(2)配方界面：如圖3所示，可查詢到單個儀表的配方參數(shù)并可以修改同步上傳到C801儀表，也可在該界面査詢到配料累計次數(shù)和累計重量，無法查詢到單次配料重量，累計次數(shù)大于999次時儀表會報錯并清除以前數(shù)據(jù)重新開始累計。

(3)標定界面：如圖4所示，按照界面提示信息選擇儀表分度值、小數(shù)位，并輸入儀表滿量程，在空載點和加載標準秩碼點分別操作實現(xiàn)C801儀表兩點標定。

(4)標定密碼修改界面：觸摸屏默認進入標定密碼為801,在標定密碼修改界面可修改標定密碼。
(5)儀表通信站號修改界面：用戶在可該界面修改每個儀表通信站號，修改后需斷開重新連接通信。
觸摸屏界面編程需用到組態(tài)軟件EasyBuilder8000,觸摸屏元件地址屬性參考表1對應設置。如圖5所示讀重量數(shù)值元件設置和圖6所示啟動按鈕位狀態(tài)元件設置所示，觸摸屏上元件地址屬性需在儀表Modbus對應寄存器地址基礎上加lo圖中varO為觸摸屏VarO站號變量，地址為LW-10000,保存有l(wèi)#C801儀表站號地址信息。

3.2儀表程序設計及功能實現(xiàn)
通訊數(shù)據(jù)幀分為査詢消息幀和從機響應幀兩類。通用Modbus-Rtu協(xié)議的數(shù)據(jù)幀由一個字節(jié)的地址碼、一個字節(jié)的功能碼和N個字節(jié)的數(shù)據(jù)碼以及兩個字節(jié)的校驗碼構成，并約定在一幀數(shù)據(jù)中最后一個傳送字符的后面，必須有一個至少3.5字符時間間隔標志著信息的結束，下一幀數(shù)據(jù)在這個間隔之后開始。
C801儀表單片機Modbus驅動程序總體可分為串口和定時器1初始化、RS-485總線數(shù)據(jù)釆集、Modbus報文處理及應答3個基本模塊，其中RS-485總線數(shù)據(jù)采集程序由串口中斷和定時器1中斷配合完成。儀表通信時首先要進行初始化操作，例如設置波特率、選用的通訊方式、串口中斷使能、定時器1工作模式、預分頻系數(shù)、定時器中斷使能等。
串口收發(fā)器初始默認為接收使能，發(fā)送關閉狀態(tài)，當總線空閑，儀表單片機無數(shù)據(jù)接收時，不會進入數(shù)據(jù)處理子程序，循環(huán)執(zhí)行主程序其他部分；當總線有數(shù)據(jù)接收時，如圖7(a)所示，進入串口中斷子程序，將串口數(shù)據(jù)幀放入接收數(shù)據(jù)數(shù)組緩沖區(qū)RxBuffer[Ridx]中，隨即接收緩沖區(qū)指針Ridx自增、初始化定時器1并啟動定時器1后退出本次中斷，以此不斷循環(huán)直到接收最后一個字符幀后，如圖7(b)所示利用定時器1中斷等待總線3.5個字符的空閑時間后，置有通訊數(shù)據(jù)未處理標志。
如圖7(c)所示，當主程序循環(huán)掃描到有通訊數(shù)據(jù)未處理時，進入數(shù)據(jù)處理子程序，首先檢査報文數(shù)據(jù)長度是否正確(至少為4個字節(jié))，長度正確則驗證報文中從站的站號，站號正確則驗證該報文的CRC16校驗碼是否正確，校驗通過后再根據(jù)報文中的功能碼類別執(zhí)行switch語句的相應分支程序，在這些分支程序里執(zhí)行上位機通過總線
傳達過來的命令并生成應答報文，填充報文發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)組TxBuffer[Sidx],Sidx為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針，填充完畢后使能收發(fā)器發(fā)送，使用單片機UART_Write(UART_T*UART,uint8_t*pu8TxBuf,uint32_tu32WriteBytes)庫函數(shù)發(fā)送串口數(shù)據(jù)，該庫函數(shù)使用査詢方式發(fā)送串口數(shù)據(jù)，UART指向使用的串口寄存器地址，Pu8TxBuf指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)組首地址，u32WriteBytes變量指要發(fā)送的數(shù)據(jù)報文長度，最后單片機在退出數(shù)據(jù)處理子程序之前，都會清接收緩沖器指針和通訊數(shù)據(jù)未處理標志位，置發(fā)送緩沖區(qū)指針，關收發(fā)器發(fā)送使能，表示通訊數(shù)據(jù)處理已結束。

C801實現(xiàn)的Modbus功能見表2

C80I和觸摸屏通信用到的寄存器、離散量輸入和線圈見表3-表8,其中表3-表5為C801標準程序就有寄存器、離散量輸入和線圈地址，表6-表8為本系統(tǒng)標定功能添加的寄存器、離散量輸入和線圈地址，以下表格只列出了本系統(tǒng)界面設計用到的功能碼地址，如需完整的功能碼地址信息可査閱C801或C802說明書。需要注意的是,不同的用戶對儀表功能和觸摸屏界面都有自己獨特的需求，某公司都可以通過定制實現(xiàn)不同客戶的需求。
（1）標準程序自帶寄存器、離散量輸入和線圈

（2）為了實現(xiàn)通過觸摸屏進行標定操作，增加了以下幾項：

4 儀表和觸摸屏通信出現(xiàn)的問題和注意要點(系統(tǒng)調試)
設備在整個調試過程中有一些注意事項及碰到的問題羅列如下：

（1）提高抗干擾辦法：
在RS485通訊連線時，要注意采取一些信號抗干擾措施，比如通信線連線時遵循鏈式手拉手的接線方式，防止出現(xiàn)星型連接；推薦采用帶屏蔽的RS485電纜；當線路較長，波特率較高的情況下應在總線首尾端增加匹配電阻，減少反射；485收發(fā)器在規(guī)定的共模電壓-7V至+12V之間時，才能正常工作，如果超出此范圍會影響通訊，嚴重的會損壞通訊接口，共模干擾會增大上述共模電壓，消除共模干擾的有效手段之一是將485通訊線的屏蔽層用作地線，將機具、電腦等網(wǎng)絡中的設備地連接在一起，并由一點可靠地接入大地。
(2)觸摸屏和儀表通訊參數(shù)配置：
觸摸屏通信設置如圖8所示，超時延時不宜設置過長，C801儀表通信響應時間為幾毫秒級別，如超過100毫秒儀表對觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)無響應就已經(jīng)超時了，故將此參數(shù)推薦設為0.1秒，為穩(wěn)定切換數(shù)據(jù)鏈路的收發(fā)狀態(tài)，通信延時可設置為50ms,另外C801儀表和觸摸屏通信參數(shù)設置一定要對應，C801儀表通信撥動開關一定要撥向RS485側。

(3)C801儀表通信響應時間(上位機發(fā)送結束到儀表開始響應這段時間):
C801儀表編程時要注意對上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的響應的實時性和準確性。
如圖9,在調試C801儀表程序過程中，曾出現(xiàn)過一個問題，用RS485轉RS232轉接頭將C801儀表連接電腦，用串口調試助手以100ms的周期發(fā)送讀重量命令，可以看到串口調試助手上會有錯誤數(shù)據(jù)出現(xiàn)(總線沖突引起，程序升級后不再出現(xiàn)此類問題)。
用示波器觀察總線上的通信波形，如圖10,會發(fā)現(xiàn)C801儀表對上位機發(fā)送過來的讀重量命令響應時間不固定，少則10ms,多則超過100ms,說明此問題系總線沖突引起，C801儀表Mod-bus-Rtu通信程序部分存在一定的問題，檢査C801儀表程序發(fā)現(xiàn)，儀表將串口數(shù)據(jù)處理子函數(shù)LoadUartlCom_C8010放在一個100ms定時循環(huán)體內，儀表會在定時器。中斷中每隔100ms將b_100ms標志位置位，在主程序循環(huán)體中，儀表會不斷査詢b_l00ms是否為1,如為1才會執(zhí)行串口數(shù)據(jù)處理子函數(shù)LoadUartlCom_C801Q,這樣設計會明顯影響串口數(shù)據(jù)的即時響應，應把串口數(shù)據(jù)處理子函數(shù)LoadUartlCom_C801Q放在100ms定時循環(huán)體外，主程序循環(huán)體中，按照此方法升級標準程序后，燒錄新的程序到C801儀表中，用示波器觀察總線上的通信波形如圖11,C801通信響應時間是固定的，約5ms左右，圖9的問題也不再出現(xiàn)。

5小結
總之，通過本系統(tǒng)C801/C802儀表與威綸通觸摸屏通信的研究，可以發(fā)現(xiàn)C801/C802儀表ModbusRTU通信能夠正常實現(xiàn)，上位機與下位機的通信穩(wěn)定可靠，傳輸數(shù)據(jù)準確及時，人機界面使用方便，非常適合用于無人值守和集中控制場合，是值得廣大用戶值得信賴的選擇。
 

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