基于Modbus多道放射性活度采集模块设计

董湘龙，童雪林，严术骞

（1.核工业二三〇研究所，长沙 410007；2.长沙米德电子科技有限公司，长沙 410006；3.深圳库肯智能厨房设备有限公司，深圳 518109）

放射性衰变统计涨落误差及其他干扰因素，是放射性测量误差中主要的来源，在实际工作中减小统计涨落误差的一般方法有增加测量次数，合理延长测量时间；提高测量装置的灵敏度，减少本底等办法[1-2]。前者在样品多的情况下，降低了工作效率，工作量大且测量时间长。解决办法从仪器设计角度考虑，除了上述方法中后者的措施，还可以采用有多个测量通道、操作简便和自动化程度高的仪器方案，综合提高工作效率。Modbus协议是国际工业领域采用的主流通讯协议之一，由于具有开放性，易于集成不同的设备，开发成本低和有着广泛的知识资源支持等特点，也逐步成为国内智能仪器仪表受欢迎的通讯协议之一，结合此协议特征开发的多道测量模块，数据传输可靠性和效率高，通用性和灵活性强，并且方便维护[3]。

1 总体设计

为使模块精简且灵活，利用常规5 V电源供电，主芯片采用功耗小、资源丰富、执行速度快的32位ARM处理器，带有多种外扩接口，采集多通道数据的同时与多台上位机通信。外部增设硬件计数器和电气隔离电路。模块能接收、识别上位机发送的命令或查询等消息，并准确无误地返回数据[4]。

2 Modbus RTU通讯

在同一网络中，主机和从机都必须采用相同的通信模式和传输波特率，采集模块嵌入Modbus协议[5]。Modbus协议有RTU、ASCII和TCP传输模式，本设计采用RTU通讯模式，在同样的波特率下，其传输效率比较高[6]。RTU协议模式如表1所示。

表1 RTU协议数据格式Tab.1 RTU protocol data format

该协议所有数值都为十六进制数，CRC校验码是计算起始位到数据的CRC校验值。

当上位机把通信命令发送至仪器时，模块接收到指令和数据信息后，计算比较CRC码正确后，根据功能码执行相应的指令操作，把相应的数据返回给上位机。返回的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码，如果CRC出错就不返回任何信息[7]。测量模块通讯时地址码需主机与从机对应起来，模块从机地址允许预先设定。Modbus RTU协议有24种总线功能码，采用了表2的几种。

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

3 硬件电路设计

硬件电路如图1所示，主要由微处理电路、通道选择电路、计数电路、通讯电路、供电电路、数字隔离电路等组成。微处理器采用STM32F103RBT6，结合外围电路完成数据采集、通道控制、参数设置及与上位机通信等功能。模拟信号需经过信号调理电路转换为数字信号方能输入本模块。

图1 电路结构框图Fig.1 Circuit block diagram

3.1 计数与通道控制电路

多通道放射性活度实时测量，如果样品活度很大，则采集的数据也多，有些计数脉冲比较窄，有的脉冲宽度小于1 μs，直接用微处理器的计数器可能会丢失而漏采数据，故使用外部硬件计数器保证每一个输入脉冲都能有效计数，然后通过ARM读取计数数据。原理如图2所示：微处理器控制74HC00闸门电路EN1选择测量通道，被测信号通过闸门电路后，进入内含2个独立4位二进制异步计数器74HC393，每个计数器有输入CLK、清除控制（MR）和计数输出（Q0～Q3）。启动测量时，通过置位MR1清除计数值，当输入信号S1由低到高跳变时进行计数，微控制器根据Q3的变化进行中断累加计数，工作完成后，关闭使能信号EN1并采集Q0～Q3状态，由嵌入式程序计算累加，从而得出活度计量值。

图2 一个通道的计数电路Fig.2 A channel counting circuit

3.2 隔离电路

为提高数字电路可靠性，模块与前端模拟信号放大处理电路进行电气隔离，使用ADI公司的高速隔离芯片ADUM1100，并同时隔离各个输入通道信号，提高整个系统的稳定性和可靠性。该隔离器件采用iCoupler磁隔离技术，将高速CMOS工艺与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。如图3的应用电路简单，采用与其他电路模块隔离的+5 V独立电源，除几个滤波电容外无其他分离元件的配合。

图3 隔离电路Fig.3 Isolated circuit

3.3 通信电路

仪器采集距离近且一般不需级联测量，故采用最常用的串行通讯接口RS232，Modbus协议也支持此接口。上位机设计为电脑和带Modbus协议的触摸屏，通过SP232EEN芯片可驱动两个串行通讯接口，实现2种上位机独立或同时与本模块通信，以便适用不同用户和不同使用场合。

3.4 电源电路

本模块需要多种电压，设置了2个5 V电压输入端，其中一个5 V通过AMS1117-3.3转换为3.3 V给微处理器及外围电路供电，另外一个5 V给隔离电路供电。

4 软件设计

如图4（a）所示，下位机嵌入式软件和上位机软件两者都采用相同的通信模式。图4（b）为Modbus协议处理流程。程序的主要部分介绍如下。

4.1 初始化程序

4.1.1 初始化串口通信

首先加载存在的串口，把串口的CommPor属性依次打开，如果PortOpen属性打开成功，说明该串口可用，就可加载。

图4 读取数据与 Modbus数据处理流程Fig.4 Read data and Modbus data processing flow chart

然后通过串口相关属性，设定串口、波特率、校验位、数据位、停止位、接收和发送缓冲区空间、每次从缓存区接收的字节数等。对于打开的串口，在程序退出时必须自动关掉所有串口。

Private Sub InitialPort（SerialPort As String）

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

MSComm.Settings="57600，n，8，1" ′设置波特率，校验位，数据位，停止位

MSComm.InBufferSize=1024′接收缓冲区大小

MSComm.OutBufferSize=1024′发送缓冲区大小

MSComm.InBufferCount=0′清空输入缓冲区

MSComm.OutBufferCount=0′清空输出缓冲区

MSComm.SThreshold=0′一次发送所有数据，不产生OnComm事件

MSComm.RThreshold=0′关掉接收响应事件

MSComm.InputLen=0′每次从接收缓冲区输入所有的字节

End Sub

4.1.2 初始化测量界面

应用软件数据表格选用VSFlexGrid控件，主要按照控件格式要求设置显示的属性，如表格标题内容、行列宽度、字体大小等。另外要设置各通道测量间隔、次数、自动或手动编号模式等。

4.2 控制指令发送程序

测量界面设置了开始、暂停、停止等功能按键，按下功能键则执行表1中对应功能代码。按Modbus协议要求，参考如下代码依次从串口发送模块从机地址、功能代码、从机寄存器开始地址、命令长度、命令内容、CRC验证，接着判断是否收到下位机反馈数据，读取数据后清除接收缓冲区。

4.3 数据接收和处理程序

如图5（a）所示，上位机读取数据采用定时器自动读取，发送功能代码 5，利用二进制代码“1”“0”开启和关闭各通道，同样发送功能代码1则可判断各通道的状态；发送功能代码4读下位机多个寄存器数据，实现多道测量后同时快速上报结果。如接收到数据则要清除串口接收缓冲区，并做CRC检验校正，校准正常，则数据可用。下位机执行命令流程如图 5（b）所示。

4.4 CRC校验程序

CRC即循环冗余校验码，是数据通信领域中常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。由传输设备计算后加入到消息中，接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同则有误。常用的CRC-16校验计算方法有查表法和计算法，查表法速度快，语句少，但表格占用一定的程序空间；计算法速度较慢，占用程序时间，但节省空间资源。

图5 上位机、下位机工作流程Fig.5 Upper computer and lower computer work flow chart

5 结语

该模块采用ARM微处理器和少量的外围电路，可使系统小型化，功耗较低；简单的外置计数电路，节省了处理器计数器资源，也能灵活采集各种频率信号，微秒级窄脉冲也不会漏采。处理器与多个上位机通过Modbus总线协议进行通讯，使得整套系统结构相对简单，软件容易实现，数据传输的可靠性强，传输速度快，软件调试维护也方便。该模块配合不同的探测器和模拟信号调理电路，就能方便地组成活度测量仪器。