張姣姣，李麗宏，陳金兵

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，需要做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)一管理，為此需將各分散站點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備互聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化。為了節(jié)約成本，提高效率，采用RS485總線做傳輸設(shè)備，Modbus協(xié)議為通信協(xié)議，ARM7系列的微處理器LPC2214為環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表的主芯片。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將Modbus協(xié)議成功地應(yīng)用到ARM7系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典協(xié)議與高效系統(tǒng)的完美結(jié)合。研制了網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了監(jiān)控中心對(duì)各分散站點(diǎn)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化模式將各個(gè)分站的信息統(tǒng)一傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上。上位機(jī)軟件接收到各分站的信息后自動(dòng)分析、處理、顯示和保存，如果分站的采集值超標(biāo)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of system

RS485總線采用EIA/TIA-485標(biāo)準(zhǔn)的2線制電氣接口，該RS485總線具有抗共模干擾能力強(qiáng)，多機(jī)通信和組建現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的功能。Modbus協(xié)議是主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)置監(jiān)控中心服務(wù)器為主站 （總線上只能有一個(gè)主站），最多可掛接247個(gè)從站。主站可以對(duì)任一從站進(jìn)行查詢和控制，從站只有收到主站的請(qǐng)求時(shí)，才會(huì)傳送數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表采集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力、雨量等6個(gè)環(huán)境參數(shù)，主站會(huì)間隔讀取各個(gè)從站的信息，各從站接收到命令后，把當(dāng)前的環(huán)境信息發(fā)送給主站，主站接收到從站的數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后將信息顯示并保存起來(lái)。

2 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是由Modicon公司開(kāi)發(fā)的，由于其功能比較完善，容易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已成為通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠家生產(chǎn)的工業(yè)控制設(shè)備遵循該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)連接成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控[1]。

2.1 串行鏈路通信協(xié)議

Modbus串行鏈路協(xié)議是主—從協(xié)議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，故環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用RTU模式。在Modbus協(xié)議的串行鏈路上，所有分站的傳輸模式相同。RTU消息幀包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)域。RTU模式是通過(guò)判斷時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分字符和報(bào)文幀的，時(shí)長(zhǎng)至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報(bào)文幀區(qū)分開(kāi)。同時(shí)，整個(gè)報(bào)文必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，幀內(nèi)2個(gè)字符之間的間隔小于1.5個(gè)字符時(shí)間[2]。表1為RTU報(bào)文幀的結(jié)構(gòu)，起始和結(jié)束表示一幀數(shù)據(jù)與另一幀數(shù)據(jù)之間時(shí)間間隔。

表1RTU報(bào)文幀Tab.1 RTU message frame

2.2 功能碼

當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí)，從設(shè)備根據(jù)功能碼來(lái)確定執(zhí)行哪種操作，例如讀一個(gè)線圈的狀態(tài)，或讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容等[3]。當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時(shí)，功能碼用來(lái)指示是正?；貞?yīng)或異常回應(yīng)。對(duì)正?；貞?yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能碼；對(duì)異?；貞?yīng)，從設(shè)備返回一個(gè)等同于正?；貞?yīng)的代碼，但最高位的值置為邏輯1，比如正常功能碼為“00010101”，在異?；貞?yīng)的情況下回應(yīng)“10010101”[4]。

2.3 CRC校驗(yàn)

CRC字段校驗(yàn)整個(gè)報(bào)文的內(nèi)容。無(wú)論單個(gè)字符報(bào)文使用何種奇偶校驗(yàn)方式，均應(yīng)有這種CRC校驗(yàn)。CRC包含2個(gè)8位字節(jié)組成的16位值，并作為報(bào)文的最后字段附加到報(bào)文上，先附加低字節(jié)，再附加高字節(jié)。

發(fā)送設(shè)備計(jì)算CRC值，并附加到報(bào)文幀上。接收設(shè)備在接收?qǐng)?bào)文過(guò)程中，重新計(jì)算CRC值，并將計(jì)算值與接收到的實(shí)際CRC值相比較。若兩個(gè)值不相等，則表示出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3 嵌入式處理器LPC2214

LPC2214是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器，并帶有256 KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大60 MHz的CPU操作頻率。8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道），6路脈沖寬度調(diào)制PWM，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門狗，2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，高速I2C接口，2個(gè)SPI接口，9個(gè)外部中斷源，2個(gè)低功耗模式：空閑模式和掉電模式[5]。此芯片外設(shè)功能強(qiáng)大，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，非常適用于智能儀表和工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳輸線路采用RS485總線形式，由于ARM7系列芯片工作電壓為3.3 V，故選用SP3485低功耗芯片做電平轉(zhuǎn)換，TLP521實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。LPC2214的TXD0和RXD0通過(guò)光耦分別連接SP3485的DI和RO引腳，完成串口的發(fā)送與接收工作。RS485的A、B兩端采用差分輸入，LPC2214的2個(gè)串口都具有串口中斷方式，支持CPU與外設(shè)之間的異步串行數(shù)字通信，支持5～8位串行數(shù)據(jù)傳送與接收以及在傳送與接收時(shí)的雙向握手，每一個(gè)通道有2個(gè)內(nèi)部16位FIFO，系統(tǒng)采用串口接收的中斷方式。在串口通信中接收每幀數(shù)據(jù)包后，會(huì)在接收狀態(tài)寄存器中相應(yīng)的標(biāo)志位置位，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，判斷是否接收Modbus數(shù)據(jù)幀，進(jìn)一步對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析[6]。圖2為串行通信接口電路。

圖2串行通信接口電路Fig.2 Serial communication interface circuit

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議簡(jiǎn)單易用，兼容性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，但是將Modbus協(xié)議應(yīng)用到ARM系列單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較少。而該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議在ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用。

RTU模式通過(guò)判斷1.5個(gè)字符和3.5個(gè)字符的時(shí)間來(lái)確定報(bào)文幀傳輸?shù)恼_性，所以在程序處理過(guò)程中使用定時(shí)器中斷處理。當(dāng)波特率低于19 200 b/s時(shí)，定時(shí)時(shí)間必須嚴(yán)格按照波特率計(jì)算出1.5個(gè)字符和3.5個(gè)字符的時(shí)間。環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的頻率為 11.059 2 MHz（大于19 200 b/s時(shí)），如果按照波特率來(lái)計(jì)算字符時(shí)間間隔會(huì)使CPU負(fù)擔(dān)加重，所以定時(shí)器使用2個(gè)固定值：1.5個(gè)字符為750 μs，3.5個(gè)字符為1.75 ms。

系統(tǒng)運(yùn)行后，主站點(diǎn)依次向總線發(fā)送讀取從站信息的命令，避免了多個(gè)從站同時(shí)向總線發(fā)送信息而造成信息沖突。從站監(jiān)控儀表在接收到完整的消息幀后先讀取地址碼，判斷是否為發(fā)往本機(jī)的消息，是則檢驗(yàn)命令信息無(wú)誤后，響應(yīng)命令，并返回相應(yīng)的信息，否則清空接收緩存器，重新進(jìn)入等待接收狀態(tài)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要使用的是04功能碼 （讀輸入寄存器），寄存器地址占2個(gè)字節(jié)，從00開(kāi)始，連續(xù)讀取6組寄存器的值（輸入寄存器的數(shù)量也占2個(gè)字節(jié)），再加上2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼，一個(gè)完整的消息幀為xx 04 00 00 00 06 xx xx。

在RTU模式下最關(guān)鍵的是區(qū)分報(bào)文幀間隔和字符間隔時(shí)間。系統(tǒng)采用串口接收中斷和定時(shí)器中斷判斷幀間隔和字符間隔時(shí)間的大小。報(bào)文幀的傳送報(bào)文要求幀內(nèi)間隔小于1.5個(gè)字符，幀間間隔大于3.5個(gè)字符。因?yàn)椴捎么诮邮罩袛?，檢驗(yàn)的是2個(gè)字符的停止位間的時(shí)間，可以用2.5個(gè)字符和4.5個(gè)字符的間隔來(lái)判斷報(bào)文幀傳輸?shù)恼_性，取其公約數(shù)0.5個(gè)字符作為定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，定義一個(gè)全局變量timer0_cn，timer0_cn在定時(shí)中斷中做加1運(yùn)算，判斷timer0_cn的2個(gè)關(guān)鍵值5和9即可。串口中斷和定時(shí)器中斷程序流程圖如圖3，圖4所示，通過(guò)串口中斷、定時(shí)器中斷和變量timer0_cn相配合完成報(bào)文幀的正確接收。

圖3串口中斷程序流程圖Fig.3 Flow chart of serial interrupt program

圖4定時(shí)器中斷程序流程圖Fig.4 Flow chart of timer interrupt program

6 結(jié) 論

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將Modbus協(xié)議成功地運(yùn)用到ARM7TDMI-S系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)地域、多個(gè)分站的網(wǎng)絡(luò)化管理，使用簡(jiǎn)單、方便，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤，延時(shí)時(shí)間短，非常適合小型的環(huán)保或氣象監(jiān)測(cè)站使用。

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