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(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口的儀表進(jìn)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(diǎn)，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(dú)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(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)采集，不僅要求能夠準(zhǔn)確地接收、識別發(fā)送至通訊模塊的命令字符串，還要求準(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行處理，又存在模擬通道對模擬信號進(jìn)行處理和遠(yuǎn)傳。其控制器核心采用的是Flash型超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149o該單片機(jī)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(dá)0.1μA）等技術(shù)特點(diǎn)的單片機(jī)，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(shí)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。

    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(zhǔn)電路和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由單片機(jī)控制實(shí)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(hù)的雙速電荷泵電路組成?？梢詫?shí)現(xiàn)RS-232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX3221的另一優(yōu)點(diǎn)是自動掉電功能。當(dāng)無輸入信號時，可通過單片機(jī)的控制驅(qū)動器和接收器都將關(guān)閉，進(jìn)人很低功耗的待機(jī)狀態(tài)（1μA），達(dá)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)?span>RS-485總線本身具有抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用RS-485的通訊方式與主控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)采集處理后，均可以用RS-485通訊方式進(jìn)行遠(yuǎn)傳。電路中采用了DC-DC隔離電源供電，并在單片機(jī)與RS-485通訊電路之間采用了高速光電耦合進(jìn)行隔離，從而進(jìn)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(jìn)行多機(jī)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(jī)就無法與主機(jī)進(jìn)行通訊。如果某個分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（如死機(jī)），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(jī)“咬”總線的問題。增強(qiáng)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。

    2.4 單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。用它來實(shí)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(jìn)行集中監(jiān)控。

    基于此，可以根據(jù)實(shí)際工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的一主多從的實(shí)際數(shù)據(jù)選擇模型，該模塊采用了此協(xié)議，因?yàn)閰f(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)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(jìn)行通訊的。因此不管上位機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行設(shè)置，按“確認(rèn)”鍵讀入單片機(jī)。如此可依次對數(shù)據(jù)傳輸模式、串口屬性等進(jìn)行設(shè)置。

    3 軟件實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)的通訊接口，以此來實(shí)現(xiàn)通訊的連接轉(zhuǎn)換。軟件分4部分：

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

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

    (3) MODBUS通訊軟件。重點(diǎn)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(rèn)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(yàn)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(jìn)行MODBUS校驗(yàn)，極大地提高了程序運(yùn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的模擬信號和RS-232數(shù)字信號進(jìn)行軟件處理，并以MODBUS通訊協(xié)議的形式上傳到上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的存儲和控制等處理。在投人運(yùn)行中，模塊本身實(shí)現(xiàn)了實(shí)時性、可靠性、組網(wǎng)簡單化等特點(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通用型數(shù)據(jù)采集模塊有廣泛應(yīng)用。