基于modbus通信协议智能流量计设计

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1、基于Modbus通信协议智能流量计设计　　摘要：为了Modbus现场总线通信协议在一种流量计上的实现，给出了该实现的第一步——原型机搭建的具体过程。系统采用了AVR单片机和RS-485通信总线，采用C语言进行开发，以软件工程所定义的开发流程，从需求分析、概要设计、详细设计和维护等方面对系统地实现进行了详细的描述。关键词：现场总线；流量计；Modbus；RS-485中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）20-4710-04在工业生产过程中，流量是需经常测量和控制的参数之一，随着流量计功能的扩展，已经把温度、压力等变量的采集与流

2、量整合成一个仪表，完成了原先需要采用流量计、温度计、压力计和二次仪表才能完成的功能。现场总线在仪表中的使用日益广泛起来。目前使用较多的现场总线有基金会现场总线（FoundationFieldbus，简称FF），基于CAN通信的DeviceNet，以Siemens等为首的PROFIBUS，Rosemount的HART，三菱电机为主导推出的CC-Link等[1]。现需要在原有的流量仪表上加入Modbus现场总线通信的功能，搭建Modbus现场通信的平台，以及制作基于Modbus通信的样机。1需求分析9需求分析是一个项目的开端，也是项目建设的基石。在以往建设失败的项目

3、中，80%是由于需求分析的不明确而造成的[2]。因此一个项目成功的关键因素之一，就是对需求分析的把握程度。涡轮流量计是运用最为广泛。目前正在进行开发的是智能涡轮流量计转换器，具备流量系数的分段修正、可选的温度压力补偿等功能，需要设置的参数和需要读取的过程变量比前几代都有明显的提高。因此亟需采用现场总线的方式对仪表进行访问。根据之前的预研，确定采用RS-485总线加Modbus通信协议作为智能流量计转换器的通信方式。使程序实现最基本的Modbus通信功能：波特率固定为19200bps，校验为偶校验，能实现最基本的寄存器读写访问，如Modbus的03号功能ReadH

4、oldingRegister、04号功能ReadInputRegister和06号功能WriteSingleRegister[3]。2概要设计9为了能与智能流量计转换器程序上无缝接轨，在选择单片机是使用了与转换器一致的ATmega168芯片。但是为了原型板的搭建方便，尽管在转换器设计中采用了贴片封装的芯片，此处还是选择了双列直插芯片。两者仅封装不同，在功能上对于实现通信功能是完全一致的[4]。对于通信部分RS-485的物理层接口芯片选择了目前广泛使用的MAX485芯片。该芯片为MAXIM公司出品，供电电压为5V[5]。为了配合5V芯片，采用78L05作为整机的供

5、电。仪表输入电压为12V～24V通用。在ISO/OSI网络模型中，将网络分为七层，从下至上依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。Modbus在串行链路RS-485上的实现采用了其中的三层——物理层、数据链路层和应用层[6]。本仪表采用C语言进行开发，支持AVR系列单片机的C编译器主要有CodeVisionAVR、AVR-GCC、IAR、ICCAVR等。C语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。3详细设计本仪表采用MAXIM公司的485接口芯片MAX485作为

6、物理层芯片，并连接到ATmega168的通用串行口进行数据收发。下图为整个仪表原型机的电路图：电路中使用78L05作为稳压芯片，由于设计仪表输入电压为12V～24V±20%，使用78L05即可满足需求。D1的作用是防止电源反接烧坏仪表。9物理层除了硬件部分，也包含部分的软件。这些软件的功能是将物理层接收到的数据发送给数据链路层，或是将数据链路层需要发送的数据写入物理层硬件设备。这部分软件的主要功能是操作ATmega168的特殊功能寄存器，将UART收到的数据存入特定的缓冲区，或将缓冲区的数据向UART写入并通过ATmega168发送。在本次设计中，UART的波特

7、率固定为19200bps；数据位由于使用ModbusRTU模式，固定为8位，停止位1位；奇偶校验采用偶校验。3.1数据链路层软件根据MODBUSApplicationProtocolSpecificationV1.1b的描述，Modbus协议定义了一种简单的协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU），它是与下层通讯协议（如RS485、以太网等）无关的。而下层特定的数据单元将ModbusPDU进行封装，并被命名为应用数据单元（ApplicationDataUnit，ADU），如下图所示：数据链路层在一个Modbus设备中的功能是在物理层和应用层间建立

8、一个联系，将物理层接收到