基于MSP430的智能儀表與組態(tài)王的通訊設(shè)計(jì)

摘要：本文采用亞當(dāng)模塊的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王與多MSP430單片機(jī)的直接通信。該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，并在實(shí)際設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中獲得了成功運(yùn)用。
關(guān)鍵詞：智能儀表；組態(tài)王；亞當(dāng)模塊；多機(jī)通訊

1 引言

目前組態(tài)王與單片機(jī)的通信多是通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換或自己開(kāi)發(fā)通訊驅(qū)動(dòng)程序的方式進(jìn)行的^[1]。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）是Windows平臺(tái)上一個(gè)完整的通訊協(xié)議，通過(guò)DDE使應(yīng)用程序之間彼此能交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。但使用DDE會(huì)帶來(lái)一些額外的開(kāi)銷，如會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、增加系統(tǒng)的不可靠性，特別在多參數(shù)傳送時(shí)不太穩(wěn)定，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。而自己開(kāi)發(fā)通訊驅(qū)動(dòng)程序又有一定的難度，且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。最近，在為九江石化燃運(yùn)輸煤皮帶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，基于MSP430單片機(jī)的智能儀表作為下位機(jī)，研華公司的工控機(jī)作為上位機(jī)，采用ADAM-5000的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃運(yùn)皮帶監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器將測(cè)得的電壓、電流、速度信號(hào)通過(guò)自制的智能儀表傳送給上位機(jī)，在組態(tài)界面上實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控皮帶的運(yùn)行狀況；外部狀態(tài)輸入是通過(guò)智能儀表檢測(cè)電機(jī)接觸器輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)是閉合狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的報(bào)警保護(hù)才起作用，否則當(dāng)檢測(cè)到是開(kāi)路信號(hào)時(shí)，采樣值超出范圍不報(bào)警，繼電器不動(dòng)作；故障輸出是指電機(jī)一旦過(guò)流或皮帶堵煤、皮帶停轉(zhuǎn)、柱銷斷裂等故障時(shí)候，智能儀表發(fā)出脈沖信號(hào)送給PLC傳送至1-15#牽引電機(jī)接觸器和報(bào)警指示燈，從而切斷對(duì)應(yīng)的接觸器，停止相應(yīng)的電機(jī)，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)。，

圖1 燃運(yùn)輸煤皮帶監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 通信實(shí)現(xiàn)

3.1 通信接口

本系統(tǒng)采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。RS485采用差分傳輸方式，可以有效地提高抗共模干擾能力，最高傳輸速率可達(dá)10Mb/s，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1200m，支持與數(shù)據(jù)通信設(shè)備多連接。RS485由于傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)，已成為工控系統(tǒng)串行通信的普遍形式。當(dāng)采用RS485實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)串行通信時(shí)，由于上位機(jī)通常只提供RS232串行接口，因此需要使用RS232/RS485通信接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接，在本文開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)中采用了多串口卡來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。

3.2 MSP串行通信的特點(diǎn)

MSP430F149有兩個(gè)串行通信模塊：USART0和USART1^[2]。它的通信功能很強(qiáng)，模塊在發(fā)送和接收每一字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)都可以觸發(fā)中斷，從而使CPU退出低功耗模式。發(fā)送和接收中斷由兩個(gè)獨(dú)立的中斷控制位控制。與傳統(tǒng)的串行通信相比，MSP430單片機(jī)用低時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)高速通信的方法是：除了分頻因子外，還有一個(gè)分頻因子調(diào)整寄存器，它用分頻因子加調(diào)整的方法可以實(shí)現(xiàn)每一字節(jié)內(nèi)各位有不同的分頻因子，從而保證每位數(shù)據(jù)的中心三個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)都處于有效的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，在低時(shí)鐘頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)高通信波特率。從機(jī)地址位多機(jī)模式的通信格式為：起始位＋數(shù)據(jù)位＋地址/數(shù)據(jù)位＋停止位。從機(jī)通過(guò)地址/數(shù)據(jù)位判別收到的是數(shù)據(jù)幀還是地址幀，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)是地址的時(shí)候，將收到的字節(jié)與本機(jī)地址進(jìn)行對(duì)比，如果相等，則表明主機(jī)將與本機(jī)進(jìn)行通信，復(fù)位寄存器U0RCTL的URXWIE位。此后收到數(shù)據(jù)后將觸發(fā)接收中斷，在中斷程序中將收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)。如果收到的地址與本機(jī)地址不符，則說(shuō)明主機(jī)以后發(fā)送的數(shù)據(jù)不是針對(duì)本機(jī)的，置位寄存器U0RCTL的URXWIE位，此后接收到數(shù)據(jù)字節(jié)將不會(huì)觸發(fā)中斷。

3.3 通信協(xié)議

ADAM5000/485系列采用EIA RS485通訊協(xié)議，該協(xié)議遵循命令/響應(yīng)的通訊方式^[3]。通訊過(guò)程中主局保持主動(dòng)權(quán)，主局通過(guò)對(duì)子局的呼叫建立通訊連接。并通過(guò)向子局發(fā)送命令幀來(lái)控制數(shù)據(jù)傳送的方向及內(nèi)容，子局只能響應(yīng)主局對(duì)自己的呼叫和根據(jù)幀的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。ADAM模塊的RS485口與計(jì)算機(jī)通訊的方式為串行異步半雙工方式，支持ASCII碼傳輸方式。ADAM-5000系列中AI模塊的幀格式如表1所示。

表1 ADAM-5017命令幀格式

命令幀的第一個(gè)字節(jié)為起始符，有$和#兩種形式。以$開(kāi)頭的可獲取版本信息、校正AI模塊等；以#開(kāi)頭的用來(lái)讀取ADAM-5017通道值，是我們要用到的命令形式；地址范圍是00-FF；槽號(hào)i取值范圍為0-7；其它，在定界符為$時(shí)，有9種形式，這里不再介紹。在定界符為#時(shí)，有2種形式，一種為空，命令內(nèi)容為讀取i號(hào)槽模塊全部通道值；另一種為通道值j，命令內(nèi)容為讀取i號(hào)槽模塊第j號(hào)通道值。ADAM-5000的響應(yīng)幀格式如表2所示。對(duì)于定界符為#的命令幀，有兩種響應(yīng)幀格式。

表2 ADAM-5017響應(yīng)幀格式

起始符為>，表示模塊收到的命令有效，其后為到的命令有效，其后為全部通道值或某一通道值，隨命令幀格式而定；起始符為?，表示5017收到的命令無(wú)效，其后地址與收到命令幀的地址相同。

燃運(yùn)輸煤皮帶監(jiān)控系統(tǒng)中選用1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位結(jié)束位，0位奇偶校驗(yàn)位，波特率為9600bps。如組態(tài)王要獲取ADAM-5000地址為01的5017（第1槽）的數(shù)據(jù)，在串口調(diào)試工具中發(fā)送#01S1(cr)，自制智能儀表首先對(duì)串口調(diào)試工具發(fā)送的命令進(jìn)行判斷，如果接收的命令符合ADAM5000/485指令集（如為#01S1(cr)），則按照指令集的響應(yīng)格式返回(如：>+1.4567,+1.4852,+1.6661,+1.6321,+1.6459,+2.989,+1.7768,+1.1623(cr) )^[3][4]。

3.4 組態(tài)王的通信配置

組態(tài)王6.51是在上位機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它以Windows NT4.0(sp6)/Windows 2000/Windows XP簡(jiǎn)體中文版操作系統(tǒng)作為其操作平臺(tái)，充分利用了Windows圖形功能完備，界面一致性好，易學(xué)易用的特點(diǎn)^[5]。組態(tài)王把每一臺(tái)與之通訊的設(shè)備看作是外部設(shè)備，目前能連接PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等幾百種外部設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)和外部設(shè)備的通訊，組態(tài)王內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)作為組態(tài)王與外部設(shè)備的通訊接口。在運(yùn)行期間，組態(tài)王就可通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令。

本系統(tǒng)插接多串口卡使用了COM3和COM4口，其中COM3口掛接1#-7#儀表，COM4口掛接8#-15#儀表，共采集、傳輸、顯示105個(gè)I/O參數(shù)。在組態(tài)王的工程瀏覽器中點(diǎn)擊設(shè)備COM3， 在右面窗口中雙擊新建，出現(xiàn)設(shè)備配置向?qū)?，設(shè)置智能模塊亞當(dāng)5000系列Adam5017串行，一直點(diǎn)擊下一步，邏輯設(shè)備命名為一號(hào)儀表AD模塊5017，選擇COM3口，配置設(shè)備地址為0011（組態(tài)王的設(shè)備地址設(shè)置格式為四位的整數(shù)，前三位為ADAM-5000的網(wǎng)絡(luò)地址，第四位為I/O模塊所在的槽號(hào)（范圍為0－7），如：地址設(shè)置為0011，其中001是ADAM-5000的網(wǎng)絡(luò)地址，1是第2個(gè)槽號(hào)），設(shè)置好通信參數(shù)，即完成了設(shè)備的通信配置，同理可完成其它14個(gè)設(shè)備的配置。COM3、COM4的通訊參數(shù)設(shè)置為9600/8/1/無(wú)校驗(yàn)。此外還要對(duì)各I/O變量進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)置，如圖2所示。

圖2 組態(tài)王I/O變量定義

3.5 通信軟件設(shè)計(jì)

為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，儀表的通信部分采用了研華公司多通道A/D亞當(dāng)模塊ADAM-5017的協(xié)議，避免了開(kāi)發(fā)上位機(jī)與儀表之間的驅(qū)動(dòng)程序，大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。一旦有字符發(fā)送或者接收MSP430單片機(jī)就產(chǎn)生中斷，用中斷方式完成通信。MSP430單片機(jī)讀寫(xiě)程序流程如圖3所示。

圖3 通訊軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用ADAM-5000模塊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王6.51與多MSP430單片機(jī)的串行通訊。特別在采集、顯示參數(shù)較多的情況下，采用此方法數(shù)據(jù)傳輸可靠。目前，設(shè)計(jì)的九江石化燃運(yùn)輸煤皮帶監(jiān)控系統(tǒng)已投入使用，運(yùn)行狀況良好。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：儀表的通信程序遵循研華公司多通道A/D亞當(dāng)模塊ADAM-5017的協(xié)議編寫(xiě)，避免了開(kāi)發(fā)上位機(jī)與儀表之間的驅(qū)動(dòng)程序，大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

參考文獻(xiàn):

[1] 蔚俊蘭，丁振榮.組態(tài)王6.5與單片機(jī)的通信方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17(10)，58-59.
[2] 張，王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)使用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京，人民郵電出版社，2005.
[3] ADAM-5000 Series RS-485 Based Data Acquisition and Control System User’s Manual.
[4] 呂鵬剛，何承波，劉開(kāi)培等.基于亞當(dāng)模塊的火電廠自動(dòng)加藥系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息2001，17(11):19-20.
[5] 北京亞控科技發(fā)展有限公司. 組態(tài)王6.51使用手冊(cè).2005.