基于Modbus RTU協議的數據采集平臺設計與實現

艾 博，許向陽，賈月明

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

在數據采集和監視控制系統（SCADA）中，Modbus通常用來連接監控計算機和遠程終端控制系統，因其開放、集成方便等特點，如今成為工業領域全球最流行的通信協議[1-3]。為實現液氮補給裝置自動控制，需實時采集和監視液氮杜瓦罐內的溫度、液位及周邊氧氣濃度數據，并將采集結果發送給上位機。

本設計的數據采集平臺是基于RS-485總線和Modbus RTU協議，通過ADAM4117獲取各傳感器的模擬量電流值，實現實時監測液氮杜瓦罐內的溫度值、液氮液位值及裝置周邊的氧氣濃度值。同時，該平臺除具有完成數據采集、數據分析和處理功能外，還需具有提供數據采集接口和人機交互接口的功能。

1 系統設計

圖1為液氮補給裝置數據采集平臺的設計示意圖。在本系統設計中ADAM4117作為系統核心，由ADAM4117的通道0、通道1和通道2獲取溫度傳感器、液位傳感器和氧氣傳感器實時反饋的數據，并通過串口Modbus RTU協議與上位機通信，在上位機軟件實現3個通道的數據采集、分析和處理。

圖1 數據采集系統設計示意圖

其中，ADAM4117是16位A/D、8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號，并且為所有通道提供了獨立的可編程的輸入范圍。在工業測量和監控的應用中，ADAM4117具有良好的性價比。它不僅能夠用于惡劣的環境中，而且還具有更加堅固型的設計。本系統中ADAM4117設置為采集4～20 mA電流量程，將電流信號轉換為RS-485信號，傳輸到上位機，Modbus協議讀到的數值為16進制的整數，數值從0～65 535，分別對應量程的上下限。例如，當量程為4～20 mA時，輸入的電流值為12 mA，則讀取到的Modbus數值為32 767。

2 Modbus RTU協議及通信模式

Modbus是一種串行通訊協議，是由Modicon公司于1979年提出，允許多個設備連接在同一個網絡上進行通信。本文使用的RTU格式傳輸效率高，在相同速率下具有更大的數據流量，得到了廣泛認可與使用。Modbus通信是主從通信機制，主機將消息幀發送給從機，從機在接收到消息后，返回相應的應答幀，其主從關系如圖2所示[4]。

圖2 Modbus主從關系

Modbus RTU消息幀結構如表1所示[5]。本文中讀取ADAM4117輸入寄存器的電流值，使用0x04功能碼控制。

表1 Modbus RTU消息結構

3 上位機軟件的設計與實現

上位機程序在VS2010環境中編寫，軟件實現流程如圖3所示。

圖3 上位機軟件實現流程圖

3.1 初始化串口

//串口控制塊

DCB dcb;/

/串口超時控制參數

COMMTIMEOUTS timeouts={100，1，500，1，100}；

//串口名稱或設備路徑

m_hComm=CreateFile（szPort，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPE

N_EXISTING，0，NULL）；

//獲取串口DCB設置參數

GetCommState（m_hComm，&dcb）；

//設置波特率、位、停止位、校驗方式

dcb.BaudRate=9600；dcb.ByteSize=8；

dcb.StopBits=ONESTOPBIT；dcb.Parity=NOPARITY；

//設置DCB參數

SetCommState（m_hComm，&dcb）；

//設置超時參數

SetCommTimeouts（m_hComm，&timeouts）。

3.2 功能碼（0x04）

ADAM4117的設備地址為0x01，通過04功能碼讀取輸入寄存器電流數據。8通道的模擬量輸入采集電流模擬量輸入信號，通過Modbus寄存器地址40001～40008來讀取CH0～CH7的數值。以讀取CH0為例，其請求指令如表2所示，返回幀如表3所示。

表2 讀取CH0請求指令

部分代碼如下：

3.3 CRC校驗

主機向從機發送信息幀時，將CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗碼一并發送。CRC校驗碼包含2個字節，即16位二進制。CRC校驗碼由主機計算，放置于發送信息的尾部。從機再重新計算接收到信息的CRC校驗碼，比較計算得到的CRC校驗碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯[6]。計算CRC16校驗碼的函數如下：

3.4 測試數據

通過RS-485總線將ADAM4117連接到工控機的COM2口，讀取溫度傳感器、液位傳感器和氧氣濃度傳感器數值，上位機軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

打開上位機調試程序，對ADAM4117通訊進行測試，可以正確讀取ADAM4117返回的電流值，經過數據處理轉換為相對應的數值，如表4所示。

表4 采集的數據

4 結束語

本文針對芯片測試設備的液氮補給自動控制系統的數據采集需求，在VS2010環境下設計開發了基于Modbus RTU協議的數據采集平臺，實現上位機與ADAM4117數據采集模塊的Modbus協議通信，采集各傳感器的電流數據。經過對數據采集平臺的測試，軟件運行穩定、可靠，能夠實時采集讀取各傳感器反饋的數據。