基于Modbus多道放射性活度采集模塊設計

董湘龍，童雪林，嚴術騫

（1.核工業(yè)二三〇研究所，長沙 410007；2.長沙米德電子科技有限公司，長沙 410006；3.深圳庫肯智能廚房設備有限公司，深圳 518109）

放射性衰變統(tǒng)計漲落誤差及其他干擾因素，是放射性測量誤差中主要的來源，在實際工作中減小統(tǒng)計漲落誤差的一般方法有增加測量次數(shù)，合理延長測量時間；提高測量裝置的靈敏度，減少本底等辦法[1-2]。前者在樣品多的情況下，降低了工作效率，工作量大且測量時間長。解決辦法從儀器設計角度考慮，除了上述方法中后者的措施，還可以采用有多個測量通道、操作簡便和自動化程度高的儀器方案，綜合提高工作效率。Modbus協(xié)議是國際工業(yè)領域采用的主流通訊協(xié)議之一，由于具有開放性，易于集成不同的設備，開發(fā)成本低和有著廣泛的知識資源支持等特點，也逐步成為國內智能儀器儀表受歡迎的通訊協(xié)議之一，結合此協(xié)議特征開發(fā)的多道測量模塊，數(shù)據(jù)傳輸可靠性和效率高，通用性和靈活性強，并且方便維護[3]。

1 總體設計

為使模塊精簡且靈活，利用常規(guī)5 V電源供電，主芯片采用功耗小、資源豐富、執(zhí)行速度快的32位ARM處理器，帶有多種外擴接口，采集多通道數(shù)據(jù)的同時與多臺上位機通信。外部增設硬件計數(shù)器和電氣隔離電路。模塊能接收、識別上位機發(fā)送的命令或查詢等消息，并準確無誤地返回數(shù)據(jù)[4]。

2 Modbus RTU通訊

在同一網(wǎng)絡中，主機和從機都必須采用相同的通信模式和傳輸波特率，采集模塊嵌入Modbus協(xié)議[5]。Modbus協(xié)議有RTU、ASCII和TCP傳輸模式，本設計采用RTU通訊模式，在同樣的波特率下，其傳輸效率比較高[6]。RTU協(xié)議模式如表1所示。

表1 RTU協(xié)議數(shù)據(jù)格式Tab.1 RTU protocol data format

該協(xié)議所有數(shù)值都為十六進制數(shù)，CRC校驗碼是計算起始位到數(shù)據(jù)的CRC校驗值。

當上位機把通信命令發(fā)送至儀器時，模塊接收到指令和數(shù)據(jù)信息后，計算比較CRC碼正確后，根據(jù)功能碼執(zhí)行相應的指令操作，把相應的數(shù)據(jù)返回給上位機。返回的信息中包括地址碼、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后結果的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼，如果CRC出錯就不返回任何信息[7]。測量模塊通訊時地址碼需主機與從機對應起來，模塊從機地址允許預先設定。Modbus RTU協(xié)議有24種總線功能碼，采用了表2的幾種。

表2 Modbus功能代碼Tab.2 Modbus function codes

3 硬件電路設計

硬件電路如圖1所示，主要由微處理電路、通道選擇電路、計數(shù)電路、通訊電路、供電電路、數(shù)字隔離電路等組成。微處理器采用STM32F103RBT6，結合外圍電路完成數(shù)據(jù)采集、通道控制、參數(shù)設置及與上位機通信等功能。模擬信號需經過信號調理電路轉換為數(shù)字信號方能輸入本模塊。

圖1 電路結構框圖Fig.1 Circuit block diagram

3.1 計數(shù)與通道控制電路

多通道放射性活度實時測量，如果樣品活度很大，則采集的數(shù)據(jù)也多，有些計數(shù)脈沖比較窄，有的脈沖寬度小于1 μs，直接用微處理器的計數(shù)器可能會丟失而漏采數(shù)據(jù)，故使用外部硬件計數(shù)器保證每一個輸入脈沖都能有效計數(shù)，然后通過ARM讀取計數(shù)數(shù)據(jù)。原理如圖2所示：微處理器控制74HC00閘門電路EN1選擇測量通道，被測信號通過閘門電路后，進入內含2個獨立4位二進制異步計數(shù)器74HC393，每個計數(shù)器有輸入CLK、清除控制（MR）和計數(shù)輸出（Q0～Q3）。啟動測量時，通過置位MR1清除計數(shù)值，當輸入信號S1由低到高跳變時進行計數(shù)，微控制器根據(jù)Q3的變化進行中斷累加計數(shù)，工作完成后，關閉使能信號EN1并采集Q0～Q3狀態(tài)，由嵌入式程序計算累加，從而得出活度計量值。

圖2 一個通道的計數(shù)電路Fig.2 A channel counting circuit

3.2 隔離電路

為提高數(shù)字電路可靠性，模塊與前端模擬信號放大處理電路進行電氣隔離，使用ADI公司的高速隔離芯片ADUM1100，并同時隔離各個輸入通道信號，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該隔離器件采用iCoupler磁隔離技術，將高速CMOS工藝與單芯片空芯變壓器技術融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征。如圖3的應用電路簡單，采用與其他電路模塊隔離的+5 V獨立電源，除幾個濾波電容外無其他分離元件的配合。

圖3 隔離電路Fig.3 Isolated circuit

3.3 通信電路

儀器采集距離近且一般不需級聯(lián)測量，故采用最常用的串行通訊接口RS232，Modbus協(xié)議也支持此接口。上位機設計為電腦和帶Modbus協(xié)議的觸摸屏，通過SP232EEN芯片可驅動兩個串行通訊接口，實現(xiàn)2種上位機獨立或同時與本模塊通信，以便適用不同用戶和不同使用場合。

3.4 電源電路

本模塊需要多種電壓，設置了2個5 V電壓輸入端，其中一個5 V通過AMS1117-3.3轉換為3.3 V給微處理器及外圍電路供電，另外一個5 V給隔離電路供電。

4 軟件設計

如圖4（a）所示，下位機嵌入式軟件和上位機軟件兩者都采用相同的通信模式。圖4（b）為Modbus協(xié)議處理流程。程序的主要部分介紹如下。

4.1 初始化程序

4.1.1 初始化串口通信

首先加載存在的串口，把串口的CommPor屬性依次打開，如果PortOpen屬性打開成功，說明該串口可用，就可加載。

圖4 讀取數(shù)據(jù)與 Modbus數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Read data and Modbus data processing flow chart

然后通過串口相關屬性，設定串口、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位、接收和發(fā)送緩沖區(qū)空間、每次從緩存區(qū)接收的字節(jié)數(shù)等。對于打開的串口，在程序退出時必須自動關掉所有串口。

Private Sub InitialPort（SerialPort As String）

MSComm.CommPort=Val（Mid（SerialPort，4，Len（SerialPort）-3））′設定端口

MSComm.Settings="57600，n，8，1" ′設置波特率，校驗位，數(shù)據(jù)位，停止位

MSComm.InBufferSize=1024′接收緩沖區(qū)大小

MSComm.OutBufferSize=1024′發(fā)送緩沖區(qū)大小

MSComm.InBufferCount=0′清空輸入緩沖區(qū)

MSComm.OutBufferCount=0′清空輸出緩沖區(qū)

MSComm.SThreshold=0′一次發(fā)送所有數(shù)據(jù)，不產生OnComm事件

MSComm.RThreshold=0′關掉接收響應事件

MSComm.InputLen=0′每次從接收緩沖區(qū)輸入所有的字節(jié)

End Sub

4.1.2 初始化測量界面

應用軟件數(shù)據(jù)表格選用VSFlexGrid控件，主要按照控件格式要求設置顯示的屬性，如表格標題內容、行列寬度、字體大小等。另外要設置各通道測量間隔、次數(shù)、自動或手動編號模式等。

4.2 控制指令發(fā)送程序

測量界面設置了開始、暫停、停止等功能按鍵，按下功能鍵則執(zhí)行表1中對應功能代碼。按Modbus協(xié)議要求，參考如下代碼依次從串口發(fā)送模塊從機地址、功能代碼、從機寄存器開始地址、命令長度、命令內容、CRC驗證，接著判斷是否收到下位機反饋數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后清除接收緩沖區(qū)。

4.3 數(shù)據(jù)接收和處理程序

如圖5（a）所示，上位機讀取數(shù)據(jù)采用定時器自動讀取，發(fā)送功能代碼 5，利用二進制代碼“1”“0”開啟和關閉各通道，同樣發(fā)送功能代碼1則可判斷各通道的狀態(tài)；發(fā)送功能代碼4讀下位機多個寄存器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多道測量后同時快速上報結果。如接收到數(shù)據(jù)則要清除串口接收緩沖區(qū)，并做CRC檢驗校正，校準正常，則數(shù)據(jù)可用。下位機執(zhí)行命令流程如圖 5（b）所示。

4.4 CRC校驗程序

CRC即循環(huán)冗余校驗碼，是數(shù)據(jù)通信領域中常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。由傳輸設備計算后加入到消息中，接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同則有誤。常用的CRC-16校驗計算方法有查表法和計算法，查表法速度快，語句少，但表格占用一定的程序空間；計算法速度較慢，占用程序時間，但節(jié)省空間資源。

圖5 上位機、下位機工作流程Fig.5 Upper computer and lower computer work flow chart

5 結語

該模塊采用ARM微處理器和少量的外圍電路，可使系統(tǒng)小型化，功耗較低；簡單的外置計數(shù)電路，節(jié)省了處理器計數(shù)器資源，也能靈活采集各種頻率信號，微秒級窄脈沖也不會漏采。處理器與多個上位機通過Modbus總線協(xié)議進行通訊，使得整套系統(tǒng)結構相對簡單，軟件容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮姡瑐鬏斔俣瓤欤浖{試維護也方便。該模塊配合不同的探測器和模擬信號調理電路，就能方便地組成活度測量儀器。