一種基于Modbus協議的水煤氣流量計通訊模塊設計
點擊次數:1786 發布時間:2021-01-08 06:03:45
摘要:西門子 SITRANS FUS 超聲波流量的表頭支持 4-20mA 電流信號輸出和 RS232 文本日志輸出,都無法與水利部門采 用 Modbus 協議的取水監測設備進行通信。針對此問題,本文自主設計并實現了一種支持Modbus 協議的通訊模塊,能夠實時解析 流量計表頭 232 端口輸出的文本信息,并將其轉換成 Modbus 協議報文,與取水監測設備進行通信。該通訊模塊具有結構簡單、可 拓展性強、成本低的優點。
1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式水煤氣流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸出,而水利部門的取水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議,物理層采用的是 RS485 標準,無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一問題,本文自主設 計并實現了一種支持 Modbus 協議的通信模塊,使得超聲波流量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行通訊。
2 系統架構
圖 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 水煤氣流量計表頭組成的系統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS水煤氣流量計表頭的 232 接口與流量計表頭通信;通過 485 接口,以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將水煤氣流量計的信息解析并封裝成 Modbus報文,提供給取水監測設備讀取。硬件方面,采用成熟的STM32F407 開發板,帶有 232 接口和 485 接口,本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計
3.1 軟件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示,分為硬件層、硬件抽象層,中間層和應用層。中間層包括一個實時操作系統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層,主要創建了三個任務,232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息,Modbus_Task 負責存儲 解析后的流量計數據到 Modbus 寄存器表,以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信,LED_Task 是一個輔助任務,主要用來提示程序運行狀態。
3.2 軟件流程圖
圖 3 為 Modbus 通訊模塊的軟件流程圖,創建的三個任務都是以 FreeRTOS 系統的消息(Message)來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保證供電穩定,使用了電源切換裝置給主板供電,共有主副兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件 Modbus poll,作為 Modbus主機對通訊模塊進行測試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入寄存器(Input Register)存儲流量計數據。Modbus Poll 發送的測試命令字節流為:01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址,0x04 功能碼為讀取 輸入寄存器命令,0x0000 為讀取寄存器的起始地址,0x0014(20)為讀取寄存器的個數,0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示:Tx = 24140,Err =0,ID = 1,F = 04,SR = 1000ms,Log = on。 其中 ,Tx 為Modbus Poll 發送命令次數,也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送讀輸入寄存器命令 24140 次(發送間隔為 1s,測試時間為 6.7 小時);Err 為通訊錯誤數,Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次(錯誤數為 0)。
5 結論
本文針對 FUS 水煤氣流量計無 Modbus 通訊接口,無法與取 水監測設備通訊的問題,自主設計并實現了一種基于微處理器STM32F407 的低成本 Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片 上 移 植 了 開 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 系 統FreeRTOS,實現了對流量計表頭輸出文本的解析,以及與Modbus 主機的通訊,從而實現了給 FUS 水煤氣流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明,該通訊模塊工作穩定可靠,具備了在較高通訊頻率下正確響應 Modbus 主機請求的能力,達到了實用要求。該通訊模塊也具備一定的可拓展性,可應用 在公司其它 FUS 水煤氣流量計上,并且很容易通過 485 總線與DCS 系統或 PLC 進行通訊。
煤氣流量計如何調整
煤氣流量計選型
高爐煤氣流量計
焦爐煤氣流量計廠家
水煤氣流量計,發生爐煤氣流量計
高爐煤氣流量計價格
焦爐煤氣流量計價格
高爐煤氣流量計廠家
焦爐煤氣流量計,渦輪煤氣流量計
轉爐煤氣流量計,煤氣管道計量表
發生爐煤氣流量計
焦化廠煤氣流量計,水煤氣流量計
轉爐煤氣流量計,混合煤氣流量計
防爆焦爐煤氣流量計,靶式煤氣流量計
焦爐煤氣流量計,防爆焦爐煤氣流量計
大口徑測量高爐煤氣流量計,高爐煤氣流量計價格
高爐煤氣流量計選型
防爆焦爐煤氣流量計,管道煤氣流量計
水煤氣流量計廠家
高爐煤氣流量計價格,高溫煤氣流量計
焦爐煤氣流量計價格,焦化廠煤氣流量計
水煤氣流量計,高爐煤氣流量計價格
發生爐煤氣流量計廠家
轉爐煤氣流量計
高爐煤氣流量計,渦輪煤氣流量計
高爐煤氣流量計,測量煤氣流量的流量計
焦爐煤氣流量計,混合煤氣流量計
防爆焦爐煤氣流量計
焦爐煤氣流量計,管道煤氣流量計
焦爐煤氣流量計,靶式煤氣流量計
1 概述
西門子 SITRANS FUS 外夾式水煤氣流量計的標準表頭支 持 4- 20mA 電流信號輸出,而水利部門的取水監測設備應用層 采用的是 Modbus 協議,物理層采用的是 RS485 標準,無法與SITRANS FUS 流量計的表頭通信。針對這一問題,本文自主設 計并實現了一種支持 Modbus 協議的通信模塊,使得超聲波流量計表頭與取水監測設備可以以 Modbus 協議進行通訊。
2 系統架構
圖 1 為本文設計的 Modbus 通訊模塊與取水流量監測設備、 水煤氣流量計表頭組成的系統架構示意圖。該模塊通過SITRANS FUS水煤氣流量計表頭的 232 接口與流量計表頭通信;通過 485 接口,以 Modbus 協議與水利部門的取水監測設備通信。通訊模塊將水煤氣流量計的信息解析并封裝成 Modbus報文,提供給取水監測設備讀取。硬件方面,采用成熟的STM32F407 開發板,帶有 232 接口和 485 接口,本文主要實現軟件部分的功能。
3 軟件設計
3.1 軟件架構
Modbus 通訊模塊的軟件架構如圖 2 所示,分為硬件層、硬件抽象層,中間層和應用層。中間層包括一個實時操作系統FreeRTOS 和一個針對嵌入式環境開發的輕量級 Modbus 協議庫Freemodbus。在應用層,主要創建了三個任務,232_Task 負責讀 取和解析流量計表頭輸出的文本信息,Modbus_Task 負責存儲 解析后的流量計數據到 Modbus 寄存器表,以及以 Modbus 協議與取水監測設備通信,LED_Task 是一個輔助任務,主要用來提示程序運行狀態。
3.2 軟件流程圖
圖 3 為 Modbus 通訊模塊的軟件流程圖,創建的三個任務都是以 FreeRTOS 系統的消息(Message)來驅動。
4 測試與通訊聯調
Modbus 通訊模塊如圖 4 所示。為保證供電穩定,使用了電源切換裝置給主板供電,共有主副兩路 5V 電源。
在 PC 上使用權威工具測試軟件 Modbus poll,作為 Modbus主機對通訊模塊進行測試。通訊模塊作為 Modbus 從機響應Modbus Poll 軟件發出的請求。通訊模塊內部使用Modbus 的輸入寄存器(Input Register)存儲流量計數據。Modbus Poll 發送的測試命令字節流為:01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 為 Modbus 從機地址,0x04 功能碼為讀取 輸入寄存器命令,0x0000 為讀取寄存器的起始地址,0x0014(20)為讀取寄存器的個數,0xF0 0x05 為 CRC 校驗碼。
Modbus Poll 通訊測試結果如圖 5 所示:Tx = 24140,Err =0,ID = 1,F = 04,SR = 1000ms,Log = on。 其中 ,Tx 為Modbus Poll 發送命令次數,也就是說在測試期間 Modbus Poll軟件共發送讀輸入寄存器命令 24140 次(發送間隔為 1s,測試時間為 6.7 小時);Err 為通訊錯誤數,Err = 0 表明 Modbus 通訊模塊正確響應次數為 24140 次(錯誤數為 0)。
5 結論
本文針對 FUS 水煤氣流量計無 Modbus 通訊接口,無法與取 水監測設備通訊的問題,自主設計并實現了一種基于微處理器STM32F407 的低成本 Modbus 通訊模塊。在通訊模塊的主控芯 片 上 移 植 了 開 源 代 碼 庫 FreeModbus 和 開 源 操 作 系 統FreeRTOS,實現了對流量計表頭輸出文本的解析,以及與Modbus 主機的通訊,從而實現了給 FUS 水煤氣流量計表頭增加Modbus 通訊的功能。測試結果表明,該通訊模塊工作穩定可靠,具備了在較高通訊頻率下正確響應 Modbus 主機請求的能力,達到了實用要求。該通訊模塊也具備一定的可拓展性,可應用 在公司其它 FUS 水煤氣流量計上,并且很容易通過 485 總線與DCS 系統或 PLC 進行通訊。
下一篇:對煙氣流量計制造過程進行優化設計