基于Modbus-RTU通信的門窗兩性檢測系統(tǒng)

王雪萍，王洪濤，劉會華，單 波

（中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

目前常用的門窗現(xiàn)場氣密性能和水密性能檢測設(shè)備大多數(shù)還是10多年前的工控機加PCI數(shù)據(jù)采集卡的模式，或者是筆記本加USB數(shù)據(jù)采集卡的模式，這些設(shè)備由于受當(dāng)時硬件資源以及軟件發(fā)展情況的限制，或多或少都會存在有待改進的地方。吸收借鑒多個檢測中心檢測實驗人員對門窗現(xiàn)場氣密性能與水密性能檢測設(shè)備的使用方便要求與建議，設(shè)計了以嵌入Modbus-RTU協(xié)議無線通訊功能的平板電腦作為上位機，以單片機為下位機的核心控制器進行數(shù)據(jù)采集與處理的新系統(tǒng)。上位機與下位機通過RS485接口，采用Modbus-RTU協(xié)議進行通訊。本系統(tǒng)將模糊自適應(yīng)PID算法運用到壓力控制中，克服了傳統(tǒng)的控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動現(xiàn)象。本測控系統(tǒng)軟件界面美觀友好，功能齊全，壓力控制快速穩(wěn)定。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

在檢測現(xiàn)場用密封板、圍護結(jié)構(gòu)以及待測外窗形成密閉的靜壓箱體。通過調(diào)節(jié)供風(fēng)系統(tǒng)從靜壓箱吸風(fēng)或向靜壓箱吹風(fēng)，從而在被檢測外窗的兩側(cè)形成正壓差或負壓差，模擬自然風(fēng)對外窗的影響，將差壓傳感器和風(fēng)速傳感器分別安裝在檢測裝置的適當(dāng)位置，用來測量差壓信號和風(fēng)速信號，通過風(fēng)速信號依據(jù)檢測標準綜合評定氣密性能。在外窗外側(cè)安裝適量噴嘴，進行水密試驗，模擬狂風(fēng)暴雨天氣對外窗的影響，檢測被測外窗的水密性能[1]。其中檢測裝置示意如圖1所示。

圖1 檢測裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the test device

本系統(tǒng)主要任務(wù)是控制靜壓箱體的壓力，以及采集實時的溫度、大氣壓力、風(fēng)速和靜壓箱體壓力信號。由壓力設(shè)定值、壓力實測值、智能晶閘管調(diào)壓模塊、被控對象（靜壓箱體壓力）等形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制算法對靜壓箱體的壓力進行控制。

1.2 系統(tǒng)組成與功能

門窗兩性測控系統(tǒng)由上位機和下位機組成，上位機選用一臺裝有VC++軟件的平板電腦，將串口無線通信模塊嵌入到平板電腦中，通過該模塊與下位機通信。下位機由感知現(xiàn)場信號的傳感器、對現(xiàn)場信號進行采集與處理的數(shù)據(jù)采集模塊、負責(zé)下位機與上位機進行信號聯(lián)絡(luò)的串口無線收發(fā)模塊、控制箱體壓力的電位器旋鈕 （本地手動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速）、智能晶閘管調(diào)壓模塊和風(fēng)機系統(tǒng)、對被測外窗進行淋水的水控箱、水泵等組成。測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上位機軟件在VC++環(huán)境下開發(fā)，主要包括界面設(shè)計、通信設(shè)計、算法設(shè)計和功能設(shè)計等。主要界面有檢測條件設(shè)定、氣密檢測、水密檢測、綜合評定、用戶管理等界面。將模糊自適應(yīng)PID控制算法利用VC++軟件的MFC ActiveX Control Wizard生成pid.ocx控件，在軟件中壓力控制時方便調(diào)用。下位機以單片機為核心控制器，主要功能是讀取傳感器信號，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)動作等。下位機軟件是在Keil uVision4環(huán)境下開發(fā)，采用C語言編程，主要包括初始化程序、主程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、Modbus協(xié)議通訊程序等。上位機與下位機之間通過RS485接口，采用Modbus-RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)信息交流。

圖2 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the measurement and control system

2 無線通信模塊選擇

常用的無線通信技術(shù)包括藍牙技術(shù)、WiFi、Zig-Bee技術(shù)以及基于433～510 MHz頻段的無線通信技術(shù)[2]。

藍牙技術(shù)是一種開放的用于語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膮f(xié)議標準，通過無線通信將各種近距離通信設(shè)備連接起來。藍牙選用工作頻段是全球通用2.4 GHz ISM，傳輸速率理論最高可達到3 Mb/s。藍牙通信距離因發(fā)散功率大小而定。WiFi是一種近距離的無線通信技術(shù)，是IEEE定義的無線局域網(wǎng)標準。WiFi是一種以無線連接的方式將移動設(shè)備連接起來的技術(shù)。WiFi技術(shù)覆蓋范圍較廣，通信距離能達到數(shù)百米，傳輸速率可達到11 Mb/s。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標準的近距離無線技術(shù)。該技術(shù)主要是應(yīng)用在傳輸速率要求比較低的近距離通信的電子設(shè)備上。ZigBee支持多種組網(wǎng)形，具有龐大的網(wǎng)絡(luò)容量。ZigBee可嵌入各種設(shè)備中，適用于遠程控制和自動控制領(lǐng)域。

433～470 MHz頻段屬于ISM頻段，具有穿透能力強，抗衰減能力好等電磁特性，這一特性可以較好地應(yīng)對建筑物和樓群等復(fù)雜通訊條件下的電磁信號復(fù)雜化的挑戰(zhàn)。基于433～470 MHz頻段的無線通信技術(shù)具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠以及通信距離適中等特點，在各個工業(yè)領(lǐng)域都得到了較好的應(yīng)用。市面上許多無線通信模塊采用433～470 MHz頻段，這些無線模塊具有支持透明傳輸、網(wǎng)絡(luò)容量大以及用戶接口簡單等特點。

根據(jù)以上幾種通信技術(shù)的特點，從系統(tǒng)工作環(huán)境、傳輸距離以及成本等方面考慮，本系統(tǒng)采用基于470 MHz頻段的無線通信模塊。

3 Modbus-RTU通信協(xié)議

Modbus通信協(xié)議由Modicon公司開發(fā)，目前已成為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的通信協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232/RS-422/RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。Modbus協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式。數(shù)據(jù)通信采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求。Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫[3]。其中Modbus協(xié)議的查詢與響應(yīng)如圖3所示。

圖3 Modbus協(xié)議的查詢與響應(yīng)Fig.3 Block diagram of the query and response of Modbus protocol

Modbus通信規(guī)約包括RTU協(xié)議和ASCII協(xié)議[4]。RTU通訊方式采用8位二進制數(shù)據(jù)傳輸命令或數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)校驗采用CRC循環(huán)冗余校驗，通訊速度較快；ASCII通訊方式采用7位二進制表示的ASCII碼進行通信，數(shù)據(jù)校驗采用奇偶校驗或LRC邏輯冗余校驗，通訊速度較慢。在一個通信系統(tǒng)中，只能選用一種通信方式。在RTU模式下，幀中的每個字節(jié)直接用于傳輸，這樣在同樣的波特率下，可比ASCII模式傳輸更多的數(shù)據(jù)[5]。

4 Modbus-RTU通信協(xié)議在系統(tǒng)中的實現(xiàn)

本系統(tǒng)選用Modbus-RTU通信模式，上位機平板電腦作為主站，下位機中的數(shù)據(jù)采集模塊作為從站。上位機系統(tǒng)是在VC++6.0環(huán)境下采用基于MFC的FormView的單文檔應(yīng)用程序開發(fā)的[3]，通過Modbus-RTU通信協(xié)議實現(xiàn)下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 通信接口的配置

本系統(tǒng)采用Microsoft公司提供的ActiveX控件MSComm實現(xiàn)上位機和下位機之間的接口通信，數(shù)據(jù)的收發(fā)。首先在該VC++工程中添加MSComm控件。然后在CFormView對話框中插入一個MSComm控件，為該控件關(guān)聯(lián)一個變量，在工程中會加入CMSComm控件類，在CMSComm中封裝了有關(guān)通信端口的配置函數(shù)和數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)[6]。

在CFormView類的初始化函數(shù)OnInitialUpdate（）中對通信端口進行配置，配置內(nèi)容主要由以下幾點：端口號、接收和發(fā)送緩沖區(qū)的大小、當(dāng)前接收區(qū)數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)的讀取方式（進制）、接收數(shù)據(jù)函數(shù)的引發(fā)方式、數(shù)據(jù)格式（波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等）。并且在初始化函數(shù)OnInitialUpdate（）中打開串口。

4.2 查詢數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的獲取

本門窗現(xiàn)場檢測設(shè)備的通信協(xié)議的設(shè)計，上位機作為主站，下位機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊作為從站，設(shè)置從站地址為01，下面用模擬量的輸入與輸出為例來說明數(shù)據(jù)的查詢與響應(yīng)的原理。

數(shù)據(jù)采集模塊中總共4路模擬量輸入通道，分別采集環(huán)境溫度信號，當(dāng)前大氣壓力信號，風(fēng)速信號，壓力信號。模擬量輸入通道1的地址為0000H，模擬量輸入通道2的地址為0001H，模擬量輸入通道3的地址為0002H，模擬量輸入通道4的地址為0003H。讀取模擬量信號，通過功能碼04實現(xiàn)，數(shù)據(jù)幀格式與協(xié)議通訊如表1所示。

表1 讀取模擬量輸入通道數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data format of frame of reading analog input channel

主站發(fā)送信息：01 04 00 00 00 28 F0 14，從站返回信息：01 04 50 14 29 13……03 07 69 F3；從00 00地址開始讀取數(shù)據(jù)，讀取40個數(shù)據(jù)，其中14 29為第一路模擬量數(shù)據(jù)，以此類推（13 23）、（00 56）、（15 27）分別為第二、三、四通道輸入數(shù)據(jù)。14 29（H）=5161（D），5161/10000×5 V=2.58 V；0～5 V 對于-50 ℃～100 ℃，100-（-50）/5×2.58-50=27.4（℃），即當(dāng)前溫度為27.4℃。其他各通道數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與此相同。

數(shù)據(jù)采集模塊中總共2路模擬量輸出通道，系統(tǒng)中用了一路模擬量輸出通道，用來控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。模擬量輸出通道1的地址為0018H，模擬量輸出通道2的地址為0019H，通過功能碼10H，預(yù)置模擬量輸出通道信息。數(shù)據(jù)幀格式與協(xié)議通訊如表2所示。

表2 預(yù)置模擬量輸出通道數(shù)據(jù)幀格式Tab.2 Data format of frame of preset analog output channel

4.3 Modbus-RTU通訊協(xié)議在本系統(tǒng)中實現(xiàn)

在門窗現(xiàn)場兩性檢測設(shè)備中，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時交互，即上位機要實時讀取下位機的數(shù)據(jù)信息，同時要實時給下位機下放工作命名。在VC++環(huán)境下本工程的CFormView類中的定時器函數(shù)中，定時發(fā)送：01 04 00 00 00 28 F0 14、01 10 00 18 00 02 04+strfjkz命令，實時讀取溫度、大氣壓力、風(fēng)速和差壓數(shù)據(jù)，同時實時預(yù)置風(fēng)機控制數(shù)據(jù)。其中strfjkz為系統(tǒng)實時給出的風(fēng)機控制數(shù)據(jù)加數(shù)據(jù)校驗信息。其中本系統(tǒng)的通訊程序流程如圖4所示。

圖4 通訊程序流程Fig.4 Flow chart of communication program

5 系統(tǒng)運行調(diào)試

安裝好現(xiàn)場檢測裝置，打開平板電腦中測控軟件，控制箱體、風(fēng)機和水泵上電，按照檢測過程依次進行檢測實驗。其中圖5為系統(tǒng)運行效果圖。在圖5中可以看到數(shù)據(jù)通訊正常穩(wěn)定，壓力控制快速穩(wěn)定，壓力曲線沒有毛刺和抖動現(xiàn)象。軟件經(jīng)過長久測試，數(shù)據(jù)通信較為穩(wěn)定，沒有數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

圖5 系統(tǒng)運行效果Fig.5 Effect picture of the system operation

6 結(jié)語

本文在對門窗現(xiàn)場兩性系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)總體設(shè)計簡單介紹的基礎(chǔ)上，重點研究和分析了Modbus-RTU通訊協(xié)議在本測控系統(tǒng)中的實現(xiàn)。提出了將無線透傳模塊鑲嵌的平板電腦中與控制盒中，這樣減少了在現(xiàn)場工作條件下接線復(fù)雜繁瑣的問題。采用RS485接口，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。模糊自適應(yīng)PID算法的使用，克服了傳統(tǒng)控制算法中存在的不穩(wěn)定性和抖動現(xiàn)象。本系統(tǒng)已經(jīng)在一些廠家投入使用，使用結(jié)果表明，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快速穩(wěn)定、界面友好、操作方便。

[1]王洪濤，郝志華，江勇，等.建筑幕墻物理性能及檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

[2]張志君.便攜式索力測量系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013．

[3]侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001．

[4]劉進，于海生，吳賀榮，等.基于Modbus-RTU協(xié)議的水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2010，23（10）：27-28．

[5]成占軍.基于Modbus-RTU協(xié)議的礦用語音通信主機設(shè)計[J].工礦自動化，2015，41（6）：97-100．

[6]金立江，李文，張繼和，等.基于ModBus協(xié)議的變頻器VC++控制系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2008，23（4）：32-35．