工業(yè)現(xiàn)場測量多采用獨立的儀表，具有各參數(shù)監(jiān)測的非實時控制以及人工采集數(shù)據(jù)重復(fù)勞動量大等缺點，且對采集系統(tǒng)的組網(wǎng)使用自定的協(xié)議，通用性和可移植性比較差。為此設(shè)計了基于MODBUS協(xié)議和RS-485總線的工業(yè)智能通訊模塊，它可以對不同儀表的輸出信號進行統(tǒng)一方式的數(shù)據(jù)采集并按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進行遠傳。具有功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便且抗干擾能力強等特點。

1 模塊總體設(shè)計和功能

　　自動化系統(tǒng)基本上是采用4～20 mA（或0～10 V)模擬信號或者帶有標準的RS-232接口的儀表進行檢測和控制的?？傮w的設(shè)計原則是要求通訊模塊以其通用性、多功能和低功耗等特點，可以作為儀表本身傳輸數(shù)據(jù)以及組網(wǎng)的一種功能，直接組裝到儀表內(nèi)部，由儀表供電。也可以單獨作為一種功能模塊，與控制系統(tǒng)的檢測儀表或模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合使用，由電池供電。并且通訊模塊是基于遠程控制的數(shù)據(jù)采集，不僅要求能夠準確地接收、識別發(fā)送至通訊模塊的命令字符串，還要求準確無誤地返回設(shè)備的狀態(tài)信息，同時還要根據(jù)命令字符串的控制指示對采集數(shù)據(jù)等進行正確的控制。

　　通訊模塊的總體設(shè)計大致分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分。在硬件設(shè)計上盡可能地選用低功耗的器件，在軟件編程上實現(xiàn)元器件的低功耗編程控制。

2 通訊模塊硬件框圖與設(shè)計原理

　　通訊模塊的硬件設(shè)計要求既能有數(shù)字通道對RS-232電平信號進行處理，又存在模擬通道對模擬信號進行處理和遠傳。其控制器核心采用的是Flash型超低功耗16位單片機MSP430F149o該單片機具有集成度高（片內(nèi)集成12位A/D、硬件乘法器、模擬比較口以及雙串行接口等模塊）、功能豐富、超低功耗（在LPM4時可達0.1μA）等技術(shù)特點的單片機，它有多種功耗狀態(tài)可以編程控制，并可利用雙串口、低功耗等功能以及C語言編程來實現(xiàn)對整個通訊模塊功能的設(shè)置。模塊通訊模塊硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 通訊模塊硬件原理框圖

2.1模擬信號通道

　　在模擬信號傳輸通道中，模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理采用了AD7715,AD7715具有16位無誤碼輸出，0.0015%非線性度，前端增益可編程、內(nèi)設(shè)自校準電路和低功耗等優(yōu)點。模擬電流和電壓信號可轉(zhuǎn)換為符合其輸人范圍內(nèi)的電壓信號，輸人AD7715進行A/D轉(zhuǎn)換。由單片機控制實現(xiàn)AD7715的初始化和數(shù)據(jù)采集等。

2.2 RS-232接口電路

　　MAX3221采用單電源供電，電源接人方式簡單，內(nèi)部由1個線性驅(qū)動，1個接收器，帶±15kVESD保護的雙速電荷泵電路組成?？梢詫崿F(xiàn)RS-232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX3221的另一優(yōu)點是自動掉電功能。當無輸入信號時，可通過單片機的控制驅(qū)動器和接收器都將關(guān)閉，進人很低功耗的待機狀態(tài)（1μA），達到節(jié)能目的。

2.3 RS-485接口電路

　　由于基于差分信號傳輸?shù)腞S-485總線本身具有抗干擾能力強等特點，系統(tǒng)采用RS-485的通訊方式與主控機進行遠距離的通訊。要求無論是模擬信號還是RS-232信號通過單片機采集處理后，均可以用RS-485通訊方式進行遠傳。電路中采用了DC-DC隔離電源供電，并在單片機與RS-485通訊電路之間采用了高速光電耦合進行隔離，從而進一步提高了整個通訊模塊系統(tǒng)的抗干擾能力。MSP430F149串口2的TTL電平到RS-485接口電平的轉(zhuǎn)換采用的是芯片75176。通過RS-485總線的方式進行多機通訊時，如果某時刻某個75176的DE端電位為“1”，那么它的RS-485總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，占用了通訊總線，這時其他的分機就無法與主機進行通訊。如果某個分機出現(xiàn)異常情況下（如死機），就會一直占用總線，導(dǎo)致整個系統(tǒng)通訊崩潰。因此在電路設(shè)計時，要保證系統(tǒng)上電復(fù)位時75176的DE端電位為“0”，采用如圖2的接法。由于MSP430在復(fù)位期間，I/0口電位為“1”，發(fā)光管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，75176的DE端電位為“0”，釋放總線，從而有效地解決復(fù)位期間分機“咬”總線的問題。增強了系統(tǒng)通訊的可靠性和穩(wěn)定性，同時有效地解決了工，作現(xiàn)場與控制室之間的分離，保證了工作人員人身安全。

圖2 RS-485接口原理圖

2.4 單片機控制的M.DBUS通訊原理

　　目前，工業(yè)上的MODBUS通訊協(xié)議已經(jīng)成為電子控制器上的一種通用語言協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通訊。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。用它來實現(xiàn)不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。

　　基于此，可以根據(jù)實際工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的一主多從的實際數(shù)據(jù)選擇模型，該模塊采用了此協(xié)議，因為協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通訊的。因此不管上位機是什么樣類型的測控設(shè)備，就按固定的MODBUS通訊協(xié)議要求的協(xié)議格式來回應(yīng)來自主設(shè)備的請求，并進行偵測錯誤記錄。按照協(xié)議中要求的消息域格局和內(nèi)容的公共格式回應(yīng)。

　　在MODBUS通訊網(wǎng)絡(luò)上，此協(xié)議要求通訊時必須知道每個通訊模塊的設(shè)備地址，每個通訊模塊識別按地址發(fā)來的消息，根據(jù)功能碼來決定要產(chǎn)生何種動作。如果需要回應(yīng)，控制器將生成相應(yīng)的反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出。

　　通訊模塊在用MSP430F149單片機控制通訊時采用了MODBUS協(xié)議支持的兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：ASCII模式及RTU模式。ASCII模式中字符串每個8位字節(jié)分2個ASCII碼發(fā)送。RTU模式字符格式中每8位字符分2個4位16進制格式數(shù)據(jù)傳送。

　　ASCII模式的消息格式如下：

　　同種情況下，RTU模式傳輸速度要優(yōu)于ASCII模式。從兩種模式上可以看出，功能碼占用8位，可以應(yīng)用的功能有255個，在系統(tǒng)用MODBUS組網(wǎng)的過程中，主要應(yīng)用了前4個功能碼:01-讀取線圈狀態(tài);02-讀取輸人狀態(tài)；03-讀取保持寄存器；04-讀取輸入寄存器。

　　根據(jù)上述要求和通訊模塊通用性的實際情況，該模塊上添加了2個按鍵、1個8位撥碼開關(guān)和多個指示燈進行例如數(shù)據(jù)＿傳輸模式、波特率、地址、數(shù)據(jù)位等參數(shù)的設(shè)置。內(nèi)部的軟件編＿程按照：按“設(shè)置”鍵，相應(yīng)功能的指示燈亮，然后用撥碼開關(guān)對其進行設(shè)置，按“確認”鍵讀入單片機。如此可依次對數(shù)據(jù)傳輸模式、串口屬性等進行設(shè)置。

3 軟件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件以MODBUS通訊協(xié)議為核心基礎(chǔ)，附以自定義的通訊協(xié)議，以標準的MODBUS通訊協(xié)議為對外接口，以自己定＿義的通訊協(xié)議為對下位機的通訊接口，以此來實現(xiàn)通訊的連接轉(zhuǎn)換。軟件分4部分：

圖3 通訊模塊軟件系統(tǒng)功能框圖

(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，實現(xiàn)模擬信號的數(shù)據(jù)采集。

(2)下位機的串口軟件。由實際儀表的通訊協(xié)議定義的下位機通訊軟件，重點是要看實際儀表的通訊方式。

(3) MODBUS通訊軟件。重點是要分清每個通訊的數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾，特別是在RTU模式下，必須分清幀頭在什么位置。做法是在串口中斷中打開定時中斷，在通訊間隔超過通訊3.5個字符時認為通訊一幀結(jié)束，再來串口中斷就是下一幀的開始。

(4)數(shù)據(jù)處理軟件。MODBUS通訊協(xié)議建立在CRC校驗基礎(chǔ)之上，因此通訊可靠性比較好，在軟件中采用查表的方式來進行MODBUS校驗，極大地提高了程序運行的效率。

4 結(jié)束語

　　該通訊模塊是針對工業(yè)上來自不同廠商生產(chǎn)的檢測儀表進行組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的。可以對現(xiàn)場工業(yè)儀表輸出的標準的模擬信號和RS-232數(shù)字信號進行軟件處理，并以MODBUS通訊協(xié)議的形式上傳到上位機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)進一步的存儲和控制等處理。在投人運行中，模塊本身實現(xiàn)了實時性、可靠性、組網(wǎng)簡單化等特點。隨著工控組態(tài)軟件的廣泛采用，提高了系統(tǒng)的成功率和可靠性。帶有標準協(xié)議的通用型數(shù)據(jù)采集模塊有廣泛應(yīng)用。