基于Modbus協(xié)議的智能壓力傳感器研發(fā)

　　1 引言

　　20世紀90年代以來，在傳感技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合微處理器技術(shù)發(fā)展起來的智能能傳感技術(shù)成為國際上研究的熱點。傳感器領(lǐng)域的智能化得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了不同種類的智能化傳感器產(chǎn)品。但是，單一智能化傳感器并不能充分發(fā)揮智能化的優(yōu)點，只有將其與計算機聯(lián)網(wǎng)才能真正將智能化傳感器的特點全面發(fā)揮出來。本文根據(jù) rs-485總線以差分平衡方式傳輸信號，具有抗干擾性好、傳輸距離遠等特點，通過一對雙絞線作為傳輸介質(zhì)將現(xiàn)場設(shè)備與上位機連起來，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，同時這也大大降低了系統(tǒng)安裝、調(diào)試以及維護的成本。通過目前國際上普遍采用的modbus通信協(xié)議進行編寫，方便操作人員的閱讀及使用。

　　2 modbus rtu通信協(xié)議

　　modbus協(xié)議是莫迪康公司1978年發(fā)明用于電子控制器進行控制和通信的協(xié)議。

　　modbus協(xié)議已經(jīng)被接受轉(zhuǎn)化成為中國國家標準gb/t 19582－2008 《基于modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》。

　　modbus協(xié)議采用主從(master-slave)技術(shù)，是一種問答方式的通信協(xié)議。modbus通訊協(xié)議有兩種傳送方式：rtu方式和ascii方式，相對于ascii方式，rtu模式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。因此本文采用的是modbus rtu模式[2]。

　　使用rtu模式時，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始(如表1中的t1-t2-t3-t4所示)。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址。可以使用的傳輸字符是十六進制的0-9，a-f。功能碼是每幀通訊信息的第二個字節(jié)，根據(jù)modbus協(xié)議規(guī)定 ,不同功能碼對應(yīng)數(shù)域格式不盡相同，常用的功能碼有 1、2、3、4、5、6、15 和 16 , 分別表示讀線圈、讀輸入狀態(tài)、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫單個線圈、寫單個輸入狀態(tài)、寫多個線圈, 寫多個保持寄存器。本文根據(jù)需要主要是用的3、6、16功能碼。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，當?shù)谝粋€域(地址域)接收到，每個設(shè)備都進行解碼以判斷是否發(fā)給自己。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結(jié)束。一個新的消息可在此停頓后開始。

　　整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過3.5個字符時間的停頓時間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前一消息開始，接收的設(shè)備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤，因為在最后的crc 域的值不可能是正確的[3]。一典型的rtu模式的消息結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖1 基于c8051f350的智能壓力傳感器的方框圖

　　整個系統(tǒng)按照各部分功能可分為電源模塊、溫度采集模塊、模擬信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等部分。本設(shè)計使用c8051f350作為數(shù)據(jù)采集后的微處理器，c8051f350內(nèi)部有一個全差分24位sigma-delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，該adc具有在片校準功能。兩個獨立的抽取濾波器可被編程到1khz的采樣率[5]?？梢允褂脙?nèi)部的2.5v電壓基準，也可以用差分外部基準進行比率測量，其中在本設(shè)計中使用的是內(nèi)部電壓基準。adc0中包含一個可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達128倍，增益調(diào)節(jié)范圍完全符合設(shè)計要求。

　　設(shè)計采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷壓阻壓力傳感器cps181，陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kv，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好[4]。設(shè)計使用ds18b20測量工作環(huán)境溫度。ds18b20具有以下特性：

　　(1) 獨特的單線接口，只需一個接口引腳即可通信；

　　(2) 不需要外部元件；

　　(3) 可用數(shù)據(jù)線供電；

　　(4) 不需要備份電源等。

　　測量得到的溫度信號經(jīng)過單線接口送入ds18b20或從ds18b20送出，因此從c8051f350到ds18b20僅需連接一條線。設(shè)計的通信通過rs485完成。因為rs-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10mbps；rs-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模能力強，即抗噪聲干擾性好[6]；rs-485接口的最大傳輸距離可達3000米；支持眾多常見的操作系統(tǒng)，易于實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　4.1下位機通信程序的創(chuàng)新性設(shè)計

　　系統(tǒng)的下位機程序主要是運用了大家熟悉的c語言進行編程，程序采用了模塊化思想,結(jié)構(gòu)清晰易讀。主要包括系統(tǒng)初始化、更新傳感器溫度值、更新傳感器供電電壓值、更新傳感器零漂值、更新傳感器壓力值、由modbus協(xié)議對上位機發(fā)來的報文進行解釋形成任務(wù)標志、執(zhí)行modbus協(xié)議的相應(yīng)功能代碼任務(wù)、向上位機發(fā)送應(yīng)答報文、故障診斷、電源管理等模塊。

　　設(shè)計的創(chuàng)新點：自定義了一個寄存器數(shù)組，數(shù)組里包括地址、量程、增益、波特率、零漂、版本號、溫度、供電電壓、故障信息、壓力值等，并對他們進行了編號。寄存器分配一覽表如表2所示。

　　(1)每一寄存器由兩個字節(jié)構(gòu)成，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，高字節(jié)存放數(shù)值的高位，低字節(jié)存放數(shù)值的低位。例如：量程代碼存放于編號為01h的寄存器中，所占的兩個字節(jié)規(guī)定如下(其中xx為以16進制形式存放的量程代碼)：

寄存器編號 字節(jié) 高半字節(jié) 低半字節(jié)
01h 高字節(jié) 0 0
低字節(jié) x x

　　定義：傳感器地址、量程、增益、波特率分別占用一個寄存器(即兩個字節(jié))，它們的寄存器號分別為00h、01h、02h、03h，在modbus協(xié)議功能碼03中，起始地址高位、低位可以分別對應(yīng)傳感器地址、量程、增益、波特率的高位、低位。

　　(2) 在具體編寫程序時，把寄存器數(shù)組的所有只寫屬性放入flash

　　然后初始化讀出。上位機發(fā)信息，下位機解釋相應(yīng)命令，讀出或?qū)懭胂鄳?yīng)數(shù)據(jù)。在編寫執(zhí)行03、06、16任務(wù)模塊時我們把要讀取的寄存器數(shù)組的起始下標和要讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)分別根據(jù)modbus功能碼中的起始地址高、低位和寄存器數(shù)高、低位設(shè)定成一個變量，這樣簡化了程序，可讀性強。