基于C8051F310的PCA模块在Modbus通信网络中的应用

2015-01-27王德志

自动化与仪表 2015年2期

王德志

（包头职业技术学院电气工程系，包头 014030）

Modbus的分布式应用及标准协议使得控制器之间、控制器与网络和其它设备之间通讯成为可能。因此，不同厂家的控制或测量设备可以连成工业网络，进行集中监控或数据反馈。为了使终端设备具有更好的系统兼容性和市场竞争力，监测设备应具有多种方便通讯的外部接口。模拟量信号如0～10 V，4～20 mA，数字量信号如脉冲频率信号输出接口应用广泛，而Modbus通讯协议及RS485接口作为分布式控制系统的通用标准，可以进一步满足现代设备的智能化联网要求。

本文提出了一种脉冲频率信号精确转换为Modbus协议帧数据的方案，以具备脉冲输出功能的磁漩涡流量计为实验载体，利用C8051F310中的PCA捕捉/比较模块的边沿触发捕捉功能，计算出单位时间内脉冲的个数和对应的脉冲频率，以RS485为电气接口，Modbus ASCII码为传输方式构成工业网络中的1个节点完成即时通讯。该方案增强了终端监测设备的通用性和友好度，提高了系统整体的智能化监测和控制水平。

1 C8051F310中PCA定时器/计数器功能简介

1.1 C8051F310 MCU

C8051F31x系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个通用的16位计数器/定时器、1个具有增强波特率配置的全双工UART、1个增强型SPI端口、1280 B内部RAM、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空间及29/25个I/O端口等，特殊功能可编程计数器/定时器阵列（PCA）具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能。

1.2 PCA定时器/计数器功能

可编程计数器阵列（PCA）提供增强的定时器功能，与标准8051的计数器/定时器相比，它需要较少的CPU干预。PCA由1个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成，捕捉/比较模块有单独的I/O线（CEXn），这些I/O线在被使能时通过交叉开关连接到端口I/O。因此，较传统的通过检测I/0口高低电平的方式对外部输入脉冲计数，PCA计数器/定时器通过对输入信号捕捉并进入中断的方式检测脉冲信号，可以获得更高精度的检测值。

捕捉/比较模块0的I/O线CEX0通过交叉开关连接到端口I/O。因此，程序中设置端口I/O交叉开关寄存器 1：XBR1 的位 6：XBARE=1，交叉开关使能；位 2-0：PCA0ME=1，CEX0连接到端口引脚。为使CEX0连接到端口P1.0，须令端口0跳过寄存器P0SKIP=0xCF。由于P0.4，P0.5连接UART0的TX0和RX0，为防止URAT0功能关闭，P0.4，P0.5不能被交叉开关跳过。利用Config2软件对C8051F310的port I/O口进行配置。

16位的PCA计数器/定时器由2个8位的SFR组成：PCA0L和PCA0H。读PCA0L时，“瞬象寄存器”自动锁存PCA0H的值。由于读PCA0H或PCA0L不影响计数器工作，保证读操作不会造成对脉冲计数的延时，进一步保证检测精度。置ECCF0位=1将允许模块的CCF0中断。本方案应用捕捉/比较模块0的正边沿触发捕捉模式。

PCA的捕捉方式原理如图1所示，PCA0捕捉/比较寄存器 PCA0CPM0的位 5：CAPP0=1，使能PCA0的正边沿捕捉功能；位0：ECCF0=1，允许CCF0的捕捉/比较标志中断请求。因此，程序中设置PCA0CPM0=0x21。当CEX0引脚上出现正边沿跳变（从低电平到高电平跳变）时，PCA捕捉PCA0L和PCA0H的值并将其装入到对应模块的16位捕捉/比较寄存器（PCA0CPL0和PCA0CPH0）。捕捉发生时，CCF0被置为逻辑‘1’并产生1个中断请求，并在中断服务程序中对CCF0位清0。帧的数据位中，完成数据的传输。

图1 PCA捕捉方式原理框图Fig.1 Principle diagram for the captureway in PCA

2 Modbus通讯协议应用

2.1 Modbus通讯协议层

Modbus遵从主从控制策略，只有1个主机，可支持多达247个远程从属控制器或节点。此协议要求从机具备单独的设备地址，可由主机巡测并实时回应。Modbus协议帧数据包由地址码、功能码、数据位、校验位等组成。

ASCII码传输模式中每个ASCII码字符都由1个16进制字符组成。每个字节包括1个起始位，7个数据位，1个奇偶校验位（无校验则无），1个停止位和错误检测域。数据校验方式一般为CRC或LRC。

Modbus支持多种电气接口，如RS232、RS485等，其中RS485作为工业总线应用更为广泛。RS485二线制（AB）接法可实现多点双向主从通信，总线可连接多达32个有效负载，特性阻抗为120 Ω，信号最大传输距离为1219 m，最大传输速率为10 Mb/s。基于RS485总线通信的稳定性和现场布网方便等优点，被广泛应用于分布组网系统中。

2.2 Modbus协议在接口数据传输中的应用

在C8051F310中开启PCA捕捉/比较模块0的边沿触发捕捉功能，在E2PROM中更新CEX0端检测到的单位时间内脉冲个数值，结合频率脉冲转换算法，将计算得出的流量值信息打包储存在Modbus

3 Modbus通信基板电路硬件设计

3.1 PCA捕捉外部脉冲信号接口电路

信号捕捉电路采用光耦隔离的方式对输入信号进行处理。采用光耦传输的优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，无触点，传输效率高。此处应用的TLP521光耦合器的主要作用是实现信号隔离和电平转换。PCA捕捉外部信号的电路图如图2所示，PULSE为外部信号输入接口，端口P1.0连接捕捉/比较模块0的CEX0。

图2 PCA捕捉外部信号的电路图Fig.2 PCA capture external signal circuit diagram

3.2 隔离RS-485接口电路

图3 典型的UART0 RS232转RS485通讯电路Fig.3 Typical communication circuit of UART0 RS232 turn to RS485

如图 3所示，C8051F310的 UART0串口的RXD，TXD通过光电隔离芯片HCPL0600连接半双工SN65HVD3082E芯片的RO，DI引脚，控制信号RS485_0同样经光电隔离电路连接485芯片的DE和RE引脚。DE=RE=1时，485芯片的发送器有效，接收器禁止；DE=RE=0时，485芯片的接收器有效，发送器禁止。

连接至A引脚的上拉电阻R22、连接至B引脚的下拉电阻R20用于保证无连接的485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS485节点与网络的可靠性。使用DC-DC隔离器件如MORNSUN公司的WRF0505S-1WR2可以产生1组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向RS485收发器电路提供+5 V电源。该隔离RS485接口电路实现了信号和电源的双隔离，可广泛应用于煤矿井下防爆或本质安全型产品中。

3.3 C8051F310 UART0接口电路

C8051F310的UART0接口电路通过设置端口I/O交叉开关寄存器0：XBR0=0x01；使UART TX0、RX0连接到端口引脚的P0.4和P0.5。设置端口0输出方式寄存器P0MDOUT=0x12；使TX0和P0.1端口为推挽方式输出。

4 软件设计

通信基板电路的软件设计主要包括硬件初始化程序、脉冲频率信号与Modbus协议帧数据转换程序、脉冲频率捕捉算法设计和RS485收发子程序等。

4.1 主程序设计

主程序流程图如图4所示，主要包括系统初始化函数、I/O端口初始化函数、UART0初始化函数，以及PCA0脉冲检测函数等。完成系统初始化扫描后，系统等待PCA0中断触发。当检测到外部脉冲信号时，即跳入PCA0脉冲检测与Modbus转换子程序。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of the main program

4.2 PCA0脉冲检测捕捉算法与Modbus转换子程序

PCA0初始化函数允许PCA0 CEX0口每次捕捉到正边沿跳变时进入捕捉中断（中断标志位CCF0），在中断函数中，当捕获到程序设定的固定脉冲个数goal时，记录此时PCA0CPL0和PCA0CPH0的值。PCA0定时器时钟f为系统时钟12分频：f=SYSCLK/12=3.0625 MHz/12，捕捉到第goal个正边沿脉冲时tf的值：tf=SH×256+SL，则goal个正边沿脉冲的总周期：T=tf/f，单个方波脉冲的周期：t=T/goal，方波脉冲的频率F=1/t；程序表达如下：

PCA0脉冲检测与Modbus转换流程图如图5所示。

图5 PCA0脉冲检测与Modbus转换流程图Fig.5 Flow chart of PCA0 pulse detection and the Modbus conversion

4.3 RS-485收发子程序

Modbus协议帧数据以ASCII码形式传输，应答机制为主机发送后目标接收器应答。主机发送码格式一般为：［从机地址］［功能码］［n位数据］［CRC校验］。该方案中，设置的主机发送码格式为***ZSQ01回车。若从机地址对应，则从机01响应主机巡测，应答码为***SQ”流量值”回车。从机UART0中断函数中响应主机发送码程序为