摘要：基于Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議設(shè)計了一種玻璃管液位計模塊設(shè)計，對這一模塊中的ＲＳ485接口電路進行了介紹。分析了這一玻璃管液位計模塊設(shè)計的通信方式，對內(nèi)部程序進行了介紹，并進行了輸入輸出測試。將所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計應(yīng)用于十字滑臺電氣控制，取得了良好的效果。

    １  設(shè)計背景
    傳統(tǒng)玻璃管液位計系統(tǒng)中，常用可編程序控制器控制步進驅(qū)動器或伺服驅(qū)動器，進而實現(xiàn)運動控制。但是，可編程序控制器較難實現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡控制。隨著嵌入式技術(shù)日趨完善，各類ＡＲＭ處理器在玻璃管液位計中被廣泛應(yīng)用。筆者應(yīng)用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議設(shè)計了一種玻璃管液位計模塊設(shè)計［１－２］。這一模塊具有數(shù)字量輸入采集、數(shù)字量輸出控制和高速脈沖輸出功能，能夠通過內(nèi)部程序來控制步進驅(qū)動器或伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡控制。

    ２  硬件設(shè)計
    所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖１所示，采用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片作為控制核心，應(yīng)用ＭＡＸ485芯片實現(xiàn)ＲＳ485通信［3］，應(yīng)用ＥＬ357芯片實現(xiàn)輸入信號和輸出信號的隔離［］。這一玻璃管液位計模塊設(shè)計可以接收１６位開關(guān)型輸入信號，控制7路輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)4路高速脈沖控制。

    ２．１ＲＳ485接口電路
    所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計有兩路ＲＳ485通信接口。ＲＳ485接口電路采用ＭＡＸ485芯片，如圖２所示。電路不發(fā)送數(shù)據(jù)時，ＴＸＤ１為高電平，三極管Ｑ１導(dǎo)通，ＲＥ為低電平使能，ＲＯ端接收數(shù)據(jù)，ＭＡＸ485芯片處于接收狀態(tài)。電路發(fā)送數(shù)據(jù)時，ＴＸＤ１由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑫r間長短與通信速率有關(guān)，三極管Ｑ１截止，ＭＡＸ485芯片處于發(fā)送狀態(tài)。

    ２．２輸入輸出口
    輸入信號電路如圖3所示。ＥＸ0為玻璃管液位計模塊設(shè)計的開關(guān)量輸入信號端。ＥＸ0輸入信號經(jīng)過電路處理后，產(chǎn)生輸出信號Ｘ0。Ｘ0接ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片的引腳，為玻璃管液位計模塊設(shè)計內(nèi)部程序提供輸入信號。采用ＥＬ357芯片完成外部設(shè)備輸入信號與ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片接口信號之間的隔離，提高模塊的抗干擾能力。

　   輸出信號電路如圖4所示。ＳｉｇｎａｌＹ0為ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片引腳所產(chǎn)生的輸出信號。ＳｉｇｎａｌＹ0信號經(jīng)過電路處理后，變?yōu)椋希酰簦?信號。ＯｕｔＹ0信號連接輸出驅(qū)動電路，產(chǎn)生實際的輸出控制信號。輸出端也采用ＥＬ357芯片進行信號隔離。

    ２．3  高速脈沖信號
    所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計，其高速脈沖信號直接由ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片生成，通過接線端子與外部電路相連。

    3  通信方式
    這一玻璃管液位計模塊設(shè)計基于Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議的遠(yuǎn)程終端（ＲＴＵ）模式設(shè)計，按客戶端模式進行工作。上位機包括觸摸屏、工控機等，可以發(fā)送0Ｘ0１～0Ｘ04指令，使輸入端口（Ｘ端口）、輸出端口（Ｙ端口）的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋至上位機。上位機也可以使用0Ｘ05、0Ｘ0６、0Ｘ0Ｆ和0Ｘ１0指令實現(xiàn)輸出端口通斷控制和模塊內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)設(shè)定功能。上位機與模塊之間的數(shù)據(jù)通信采用串口通道接發(fā)數(shù)據(jù)幀來實現(xiàn)。每一個指令都有特定的符合Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，數(shù)據(jù)幀采用Ｈｅｘ編碼。

    4  軟件設(shè)計
    所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計，其內(nèi)部程序可以分為四部分———系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析與執(zhí)行、數(shù)據(jù)反饋，其中系統(tǒng)初始化包括端口初始化和通信口初始化［5－7］。

　　內(nèi)部程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。
　　模塊通電后，自動進入系統(tǒng)初始化程序，初始化ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片各引腳狀態(tài)，讀取芯片存儲數(shù)據(jù)，恢復(fù)至前一次斷電前狀態(tài)。同時完成模塊的通信參數(shù)設(shè)置，如將傳輸速率設(shè)置為１９２00ｂｉｔ／ｓ等，并開始連續(xù)監(jiān)聽通信口，等待上位機發(fā)送控制指令。當(dāng)上位機發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)幀后，模塊讀取數(shù)據(jù)幀。接收數(shù)據(jù)幀后，通過循環(huán)冗余校驗碼判斷數(shù)據(jù)是否有效。如果無效，那么程序返回通信口監(jiān)聽狀態(tài)。如果接收數(shù)據(jù)有效，那么對數(shù)據(jù)的地址進行判斷。如果發(fā)送來的地址與模塊設(shè)置的地址不相同，那么程序返回通信口監(jiān)聽狀態(tài)。如果發(fā)送來的地址與模塊設(shè)置的地址相同，那么模塊程序?qū)Πl(fā)送來的數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)分析與提取，對比模塊內(nèi)部芯片內(nèi)存中的指令庫，按對比結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的功能。執(zhí)行功能完成后，模塊程序?qū)��?zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)通過通信口以數(shù)據(jù)幀的格式反饋至上位機。

    5  測試
    ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ是一種基于Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議的服務(wù)端模擬器［8］，可以作為上位機測試和調(diào)試客戶端，支持遠(yuǎn)程終端模式、美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼，以及傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議［９］。筆者將ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ作為上位機對所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計進行測試。模塊接線如圖６所示，通過這一接線，可以實現(xiàn)兩路輸入信號采集和中間繼電器控制。

    5．１  輸入測試
　　二線制傳感器和三線制傳感器都處于工作狀態(tài)時，模塊的Ｘ0端口和Ｘ１端口有高電平輸入。其余Ｘ２～Ｘ１5端口都處于低電平狀態(tài)。此時，使用ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ的ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ界面輸入數(shù)據(jù)幀0１0２000000１07９Ｃ６。其中，0１為模塊地址，0２表示讀取Ｘ端口狀態(tài)指令，0000表示讀取端口起始地址，即Ｘ0端口地址，00１0表示一次性讀取１６位Ｘ端口狀態(tài)，7９Ｃ６為循環(huán)冗余校驗碼［１0］。接收到以上數(shù)據(jù)幀，模塊在執(zhí)行0Ｘ0２指令后返回數(shù)據(jù)幀0１0２0２03Ｂ９48，其中，0１為模塊地址，前一個0２表示Ｘ端口狀態(tài)指令，后一個0２表示兩個字節(jié)，03表示Ｘ0和Ｘ１端口有信號，Ｂ９48為循環(huán)冗余校驗碼。

    5．２  輸出測試
    模塊控制中間繼電器ＫＡ１線圈通電時，使用ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ的ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ界面輸入數(shù)據(jù)幀0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ，Ｙ0端口輸出高電平，其余Ｙ１～Ｙ６端口為低電平，模塊返回數(shù)據(jù)幀0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ。返回的數(shù)據(jù)幀中，0１為模塊地址。05表示執(zhí)行0Ｘ05指令，即控制單個輸出端口。0000表示控制端口為Ｙ0，如需要控制Ｙ１，則數(shù)據(jù)幀為000１，依次類推。ＦＦ00表示設(shè)置端口為有輸出，如果需要設(shè)置端口為無輸出，則數(shù)據(jù)幀為0000。8Ｃ3Ａ為循環(huán)冗余校驗碼。執(zhí)行Ｙ0輸出指令后，中間繼電器ＫＡ１線圈得電，其觸點狀態(tài)發(fā)生改變。如果模塊控制ＫＡ１線圈失電，則所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為0１0500000000ＣＤＣＡ。

    5．3  高速脈沖控制
    當(dāng)需要有高速脈沖時，上位機使用0Ｘ0６或0Ｘ１0指令設(shè)置數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程與使用0Ｘ0２、0Ｘ05指令過程類似，此處不再詳述。

    ６  應(yīng)用案例
    應(yīng)用所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計進行十字滑臺電氣控制，電氣控制原理如圖7所示。將所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計作為核心控制器件，采集十字滑臺傳感器信號、按鈕信號，控制步進驅(qū)動器，進而完成對步進電機的控制。十字滑臺Ｘ軸、Ｙ軸的前后端限位傳感器信號與模塊的Ｘ0、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ3輸入端口相連，防止滑臺機械行程超限。－Ｓ１啟動按鈕和－Ｓ２停止按鈕與模塊的Ｘ１６、Ｘ１7輸入端口相連，為模塊提供啟動和停止信號。模塊的Ｙ0輸出端口與十字滑臺Ｘ軸步進驅(qū)動器的ＥＮ＋端相連，控制軸步進驅(qū)動器工作。模塊的Ｙ１輸出端口與十字滑臺Ｙ軸步進驅(qū)動器的ＥＮ＋端相連，控制Ｙ軸步進驅(qū)動器工作。模塊的Ａ＿ＤＩＲ和Ａ＿ＰＵＬ高速脈沖輸出端口向Ｘ軸步進驅(qū)動器提供控制信號，實現(xiàn)十字滑臺Ｘ軸的運動控制。模塊的Ｄ＿ＤＩＲ和Ｄ＿ＰＵＬ高速脈沖輸出端口向Ｙ軸步進驅(qū)動器提供控制信號，實現(xiàn)十字滑臺Ｙ軸的運動控制。模塊具有兩路ＲＳ48５通信總線，一路與觸摸屏相連。通過觸摸屏，可以設(shè)置步進驅(qū)動器的Ｘ軸、Ｙ軸行程，實時顯示Ｘ軸和Ｙ軸前后端傳感器狀態(tài)、電機運行距離、運行次數(shù)等參數(shù)。通過觸摸屏上的啟動和停止按鈕，能夠控制十字滑臺啟動和停止。另一路ＲＳ48５通信總線可與其它設(shè)備相連，用于實現(xiàn)功能擴展。

　進行十字滑臺電氣控制時，點擊觸摸屏上的啟動按鈕或按下－Ｓ１按鈕，玻璃管液位計模塊設(shè)計根據(jù)觸摸屏設(shè)定的軌跡來控制單個步進驅(qū)動器或協(xié)調(diào)控制兩個步進驅(qū)動器實現(xiàn)十字滑臺的復(fù)雜軌跡運行。點擊觸摸屏上的停止按鈕或按下－Ｓ２按鈕，玻璃管液位計模塊設(shè)計通過內(nèi)部程序使十字滑臺停止運行。

    7  結(jié)束語
    筆者應(yīng)用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ4０7芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議設(shè)計了一種玻璃管液位計模塊設(shè)計。ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ4０7芯片具有強大的邏輯運算能力，通過編寫不同程序能快速實現(xiàn)出入與輸出之間復(fù)雜的邏輯控制，適用于較為煩瑣的控制場合。通過十字滑臺電氣控制應(yīng)用案例分析，確認(rèn)所設(shè)計的玻璃管液位計模塊設(shè)計具有較高的實用價值。