基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統設計與開發

楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統設計與開發

楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

分析目前速度傳感器檢測系統的現狀，利用工控機、V20變頻器、交流電機等設備，依照MODBUS協議搭建檢測系統變頻調速模塊，模擬地鐵車輛運行工況；通過VC++技術、Microsoft Communication Control通信控件以及通信報文的編寫，實現工控機對交流電機的實時調速，使得系統可在不同速度區段下檢測速度傳感器性能。經實際使用表明，該系統運行穩定、故障率低、檢測精度高，滿足地鐵使用需求。

MODBUS協議；變頻器；VC++技術

隨著城市化進程的不斷深入，地鐵建設在各省市如雨后春筍般涌現［1］。速度傳感器作為地鐵車輛上核心部件之一，對其性能的穩定可靠進行檢測于地鐵安全運營至關重要。目前國內地鐵公司大多采用不同類型的速度傳感器，與其相應的檢測系統功能單一、數據處理性能差，在穩定性、抗干擾性、檢出率等方面存在明顯不足；因此，開發多功能速度傳感器檢測系統具有重要的實際意義。通過目前傳感器檢測系統的劣勢分析，針對MODBUS協議尤其適用于小型單機控制系統［2］的特點，本文設計了基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統。該系統采用MODBUS通信協議，使得工控機可以通過變頻器靈活地控制交流電機進行調速設置，從而實現速度傳感器多參數性能檢測，保證性能優良的傳感器被運用在地鐵車輛上。

1 檢測系統硬件架構設計

基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統硬件部分主要由數據采集系統、工控機、交流電機、變頻器和光電式編碼器等設備組成。其中數據采集系統主要功能是采集編碼器的轉速信號作為模擬地鐵車輛運行的標準轉速，采集速度傳感器檢測到的電機轉速作為運行實測轉速；工控機作為數據處理的核心操作端，使用PCI串口總線技術對系統中的各部件進行實時調控。檢測系統硬件框架［3］如圖1所示。

圖1 硬件框架分布圖Fig.1 Distribution diagram of hardware architecture

2 檢測系統通信設計

在單機測控系統中，可進行MODBUS通信的設備都具有RS-232或RS-485接口，它們一般采用光纖或者雙絞線來進行MODBUS報文的傳輸［4］。在速度傳感器檢測系統中，工控機采用的接口是RS-232，而西門子V20變頻器的接口為RS-485，這就需要采用RS-232轉RS-485的串口轉換器來實現工控機與變頻器互聯通信。通過工控機、V20變頻器、串口轉換器、交流電機等設備，檢測系統實現了變頻調速模塊的搭建。

2.1 系統通信流程設計

作為一種通用的工業現場總線，MODBUS協議具有兩種通信模式:ASCII模式和RTU模式［5］。在實際使用時，控制系統的通信數據量少，且需要傳輸文本，常選擇ASCII模式，并采用LRC冗余校驗；若通信數據量多，且都為二進制數據類型時，多選擇RTU模式，采用CRC循環冗余校驗［6］。在同一傳輸速度下，RTU模式比ASCII模式快1倍；因此，基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統中，經過硬件架構設計后，確定主設備只有工控機，從設備就是V20變頻器，變頻器與工控機的通信模式選用RTU模式，并使用CRC-16冗余校驗方式，保障在傳輸過程中數據報文的正確性，其通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 通信程序流程圖Fig.2 The communication program flow chart

2.2 MODBUS報文設計

對于速度傳感器檢測系統的軟件部分，采用Visual C++編程技術和串口通信控件Microsoft Communication Control（MSComm）實現報文的編寫與發送，其中報文包括:設備地址、功能碼、待發送數據和校驗碼。結合MODBUS-RTU通信結構，將設備通信地址設置為01H～FEH，調試變頻器地址設為01H；功能碼分為4種:03H-讀寄存器數據、06H-向寄存器寫入數據、08H-回路偵測、10H-向寄存器寫入多組數據。通過MODBUS報文常用命令及功能［7］、西門子V20變頻器參數自址定義的分析，以及系統所需要的通信執行命令，編寫出速度傳感器檢測系統的通信報文，實現對交流電機的啟停、正反轉以及變速調節功能。系統將變頻器地址設置為02 H，上位機通信波特率為9 600，數據位8位、停止位1位，校驗方式為Even偶校驗［8］。檢測系統通信報文設計如下:

1）將數據“04 7E”發送至地址為63 H的寄存器，讓變頻器準備接收報文。其中02表示V20變頻器地址，06表示寫入命令，00 63表示寄存器編號，04 7E表示要寫入的值，FB 07表示偶校驗碼。發送報文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2）將設定的頻率發送至地址為64 H的寄存器，該值介于2 800～4 000 H之間，4 000 H對應的額定頻率為50 Hz。發送報文:“02 06 00 64 30 00 DC 26”。

3）將數據“04 7F”發送至地址為63 H的寄存器，電機開始正轉。“0C 7F”表示反轉。發送報文:“02 06 00 63 04 7F 3A C7”或者“02 06 00 63 0C 7F 3D 07”。

4）重復步驟2），即可實現變頻調速。

5）再次將數據“04 7E”發送至地址為63 H的寄存器，電機停止轉動。發送報文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2.3 系統通信代碼實現

在對MODBUS協議中通信報文的設計之后，使用VC++技術與MSComm控件來實現軟件編程。首先，系統需要實現對MSComm通信控件的初始化設置，部分代碼實現如下:

3 軟件編程與仿真試驗

速度傳感器檢測系統的核心功能是在系統硬件搭建的基礎上，用軟件編程來實現的。采用Microsoft Visual Studio 2008開發平臺下的 Visual C++語言工具，配合ACCESS數據庫，實現檢測系統的多功能多參數性能分析［9］。通過開發分項功能測試模塊使得在同一臺檢測試驗臺可以對不同類型的傳感器進行檢測。如圖3和圖4是速度傳感器檢測界面和波形顯示界面。以TQG19速度傳感器為例，結合傳感器的技術規格，從信號頻率轉換的速度值、曲線占空比和相位差3個性能參數來綜合性評價速度傳感器的好壞。

在圖3檢測界面中，其窗口界面具有速度設置、車輪直徑設置、標準速度顯示、實測速度顯示、報表顯示和通道選擇等功能。在圖中的9次測量中，最大測量速度為120 km·h-1，最大絕對誤差為0.6 km·h-1，則引用誤差表示為0.5%，使用引用誤差表示該檢測系統的準確度為0.5，得出該速度傳感器檢測系統的精度較高，滿足實際使用需求。

圖3 檢測系統的軟件界面Fig.3 Software interface of detection system

圖4 波形數據測試界面Fig.4 Waveform data test interface

在圖4波形測試界面中，對TQG19速度傳感器進行速度為30，50 km·h-1的測試，其中占空比分別為52.9%，51.9%，相位差分別為75.4，72.2，而霍爾式速度傳感器的合格脈沖占空比為 （50±20）%，相位差為（90±30）°，結合該種型號傳感器的技術規格，從信號頻率轉換的速度值、占空比和相位差3個性能參數來綜合性評價，被檢測的TQG19速度傳感器性能合格；同時，從波形曲線的穩定程度來看，基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統能夠有效地抑制在檢測過程中出現的隨機干擾信號，達到穩定性高、抗干擾性能好的使用要求。

4 結論

基于MODBUS協議的速度傳感器檢測系統，通信信號穩定、抗干擾性強，電機調速范圍大，有效地提高了系統的檢測精度；同時在軟件方面，設計不同的檢測功能界面，增加功能模塊，補充了檢測系統功能的單一性缺陷，實現了不同類型速度傳感器的多參數性能檢測，提高了檢測效率，節約經濟成本。經長沙地鐵實際測試表明，該系統檢測準確度可達0.5；同時檢測系統還有效抑制了隨機干擾信號和降低了通信故障率，較高的系統可靠性與穩定性，使其具有良好的應用前景。

［1］張曉莉，林茂德.論城市軌道交通建設對經濟發展的拉動作用［J］.城市軌道交通研究，2009（1）:1-6.

［2］文方，歐陽嵩.基于Modbus總線的變頻調速系統設計［J］.電機與控制應用，2011（6）:54-56.

［3］楊豐萍，袁蘆北，鮑丙東，等.新型地鐵速度傳感器檢測系統設計［J］.傳感器與微系統，2015（6）:73-75.

［4］林凱.基于ARM11的多通道數據采集記錄儀軟件系統設計與實現［D］.西安:西安電子科技大學，2013.

［5］田志勇，戴一平.基于MODBUS總線的變頻驅動液壓系統設計［J］.機床與液壓，2010（4）:79-81.

［6］袁蘆北.城軌車輛速度傳感器檢測系統研究與開發［D］.南昌:華東交通大學，2015.

［7］朱小襄.ModBus通信協議及編程［J］.電子工程師，2005（7）:42-44+55.

［8］劉其亮.基于PLC窯爐模糊控制系統的研究與設計［D］.濟南:山東理工大學，2010.

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Research and Development of Speed Sensor Test System Based on MODBUS Protocol

Yang Fengping，Bao Bingdong，Wang Jin，Shi Luxing
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

After the analysis of current status for the speed sensor detection system and using industrial control computer，V20 frequency converter，AC motor and other equipment，the frequency conversion speed regulation module of test system is established.This module can simulate the running conditions of metro vehicles.Through using VC++technology，Microsoft Communication Control and preparation of communication messages，the system can make industrial PC achieve the real-time regulation of AC motor speed.The performance of speed sensor can be detected at different speeds.The actual application shows that this system is stable with low failure rate and high detection accuracy，which can meet the actual demand of metro vehicles.

MODBUS protocol；variable-frequency drive；VC++programming

TP206+.1

A

1005-0523（2016）05-0076-05

（責任編輯 劉棉玲）

2016－01－21

江西省2014年研究生創新專項資金項目（YC2014—S263）

楊豐萍（1967—），女，教授，碩士研究生導師，研究方向為交通信息工程及控制、電力牽引及傳動控制等。

鮑丙東（1989—），男，學術型碩士研究生，研究方向為計算機檢測及控制。