基于Modbus RTU协议的数据采集平台设计与实现
2021-12-02许向阳贾月明
艾 博，许向阳，贾月明
（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）
在数据采集和监视控制系统（SCADA）中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统，因其开放、集成方便等特点，如今成为工业领域全球最流行的通信协议[1-3]。为实现液氮补给装置自动控制，需实时采集和监视液氮杜瓦罐内的温度、液位及周边氧气浓度数据，并将采集结果发送给上位机。
本设计的数据采集平台是基于RS-485总线和Modbus RTU协议，通过ADAM4117获取各传感器的模拟量电流值，实现实时监测液氮杜瓦罐内的温度值、液氮液位值及装置周边的氧气浓度值。同时，该平台除具有完成数据采集、数据分析和处理功能外，还需具有提供数据采集接口和人机交互接口的功能。
1 系统设计
图1为液氮补给装置数据采集平台的设计示意图。在本系统设计中ADAM4117作为系统核心，由ADAM4117的通道0、通道1和通道2获取温度传感器、液位传感器和氧气传感器实时反馈的数据，并通过串口Modbus RTU协议与上位机通信，在上位机软件实现3个通道的数据采集、分析和处理。
图1 数据采集系统设计示意图
其中，ADAM4117是16位A/D、8通道的模拟量输入模块，可以采集电压、电流等模拟量输入信号，并且为所有通道提供了独立的可编程的输入范围。在工业测量和监控的应用中，ADAM4117具有良好的性价比。它不仅能够用于恶劣的环境中，而且还具有更加坚固型的设计。本系统中ADAM4117设置为采集4～20 mA电流量程，将电流信号转换为RS-485信号，传输到上位机，Modbus协议读到的数值为16进制的整数，数值从0～65 535，分别对应量程的上下限。例如，当量程为4～20 mA时，输入的电流值为12 mA，则读取到的Modbus数值为32 767。
2 Modbus RTU协议及通信模式
Modbus是一种串行通讯协议，是由Modicon公司于1979年提出，允许多个设备连接在同一个网络上进行通信。本文使用的RTU格式传输效率高，在相同速率下具有更大的数据流量，得到了广泛认可与使用。Modbus通信是主从通信机制，主机将消息帧发送给从机，从机在接收到消息后，返回相应的应答帧，其主从关系如图2所示[4]。
图2 Modbus主从关系
Modbus RTU消息帧结构如表1所示[5]。本文中读取ADAM4117输入寄存器的电流值，使用0x04功能码控制。
表1 Modbus RTU消息结构
3 上位机软件的设计与实现
上位机程序在VS2010环境中编写，软件实现流程如图3所示。
图3 上位机软件实现流程图
3.1 初始化串口
//串口控制块
DCB dcb;/
/串口超时控制参数
COMMTIMEOUTS timeouts={100，1，500，1，100}；
//串口名称或设备路径
m_hComm=CreateFile（szPort，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPE
N_EXISTING，0，NULL）；
//获取串口DCB设置参数
GetCommState（m_hComm，&dcb）；
//设置波特率、位、停止位、校验方式
dcb.BaudRate=9600；dcb.ByteSize=8；
dcb.StopBits=ONESTOPBIT；dcb.Parity=NOPARITY；
//设置DCB参数
SetCommState（m_hComm，&dcb）；
//设置超时参数
SetCommTimeouts（m_hComm，&timeouts）。
3.2 功能码（0x04）
ADAM4117的设备地址为0x01，通过04功能码读取输入寄存器电流数据。8通道的模拟量输入采集电流模拟量输入信号，通过Modbus寄存器地址40001～40008来读取CH0～CH7的数值。以读取CH0为例，其请求指令如表2所示，返回帧如表3所示。
表2 读取CH0请求指令
部分代码如下：
3.3 CRC校验
主机向从机发送信息帧时，将CRC（Cyclic Redundancy Check）校验码一并发送。CRC校验码包含2个字节，即16位二进制。CRC校验码由主机计算，放置于发送信息的尾部。从机再重新计算接收到信息的CRC校验码，比较计算得到的CRC校验码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错[6]。计算CRC16校验码的函数如下：
3.4 测试数据
通过RS-485总线将ADAM4117连接到工控机的COM2口，读取温度传感器、液位传感器和氧气浓度传感器数值，上位机软件界面如图4所示。
图4 软件界面
打开上位机调试程序，对ADAM4117通讯进行测试，可以正确读取ADAM4117返回的电流值，经过数据处理转换为相对应的数值，如表4所示。
表4 采集的数据
4 结束语
本文针对芯片测试设备的液氮补给自动控制系统的数据采集需求，在VS2010环境下设计开发了基于Modbus RTU协议的数据采集平台，实现上位机与ADAM4117数据采集模块的Modbus协议通信，采集各传感器的电流数据。经过对数据采集平台的测试，软件运行稳定、可靠，能够实时采集读取各传感器反馈的数据。
