１系统总体结构
系统体系结构如图１所示。该系统主要包括５大功能区，各功能模块如下：（１）模拟量４～２０ｍＡ：根据ＣＰＵ以及外围设备正常工作时所需要的供电电压，选取合适的电阻值，从而获得模拟量４～２０ｍＡ的电流值作为输入。（２）ＣＰＵ：中央处理单元，专用于对采集到的数据进行处理的单元模块。本设计中通过Ｉ／Ｏ口接收输入的模拟量，再通过Ａ／Ｄ转化模块将模拟量转为数字量并存储在ＣＰＵ的Ｒｅｇｉｓｔｅｒｓ中。（３）ＭｏｄｂｕｓＤａｔａ：一旦下位机（从站）接收到上位机（主站）下达的正确命令，则从站立刻将ＣＰＵ所存储的数据进行处理，遵照ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ协议规范，形成ＭｏｄｂｕｓＡＤＵ数据包，通过串口发送出去。（４）上位机：基于Ｃ＃编写实时显示数据软件。接收来自串口传送的数据包，按照ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ协议对数据包进行解析，获得要显示的数据。（５）组态软件：使用Ｅｓｐｉｄｅｒ力控６．０组态软件直观显示数据。
２系统设计
２．１硬件电路设计
２．１．１单片机电源模块ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６是基于３２位ＡＲＭＲＩＳＣ处理器系列微控制器中的一员，集成有２５６Ｋ字节的高速Ｆｌａｓｈ和６４Ｋ字节的ＳＲＡＭ和全套外围设备。硬件系统采用２４Ｖ电源作为输入电压，经过两次电路转换（先由２４Ｖ转为５Ｖ，再由５Ｖ通过内部电路转为３．３Ｖ）后给ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６管脚ＶＤＤＩＮ等提供输入标称值为３．３Ｖ的电压，ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６工作后通过ＶＤＤＯＵＴ管脚输出１．８Ｖ电压为各个逻辑部件供电。２．１．２串口通信模块系统采用通用的ＲＳ２３２作为串口通信。通过ＣＰＵ各个管脚ＰＡ３、ＰＡ４、ＲＸＤ１、ＴＸＤ１和ＶＤＤ３．３与转换芯片连接，达到串口数据收发的目的。
２．２软件设计
软件设计包含３部分：上位机ＰＣ界面设计、组态软件设计以及下位机控制系统设计。２．２．１上位机软件设计上位机软件主要完成本机设置和数据实时显示２个任务。本机设置包括对串口通信的设置：选择串口，设置串口（本系统采用默认的串口属性设置。波特率是９６００，数据位是８，停止位是１，无校验位），打开串口。串口打开成功即进入数据显示界面，打开失败则提示重新选择正确串口。实时显示数据的变化，开机按钮起到上载数据的作用，关机按钮则用于停止上位机与下位机的通信。上位机软件设计流程如图２所示。２．２．２组态软件设计在Ｅｓｐｉｄｅｒ软件中进行组态界面设计。本系统通过串口对变量包括数据库组态和ＩＯ设备组态进行设置，选择标准的ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ协议串行口，并对内存区、偏置和数据格式进行设置，用以在界面上显示相应的实时数据。２．２．３下位机控制系统控制系统完成数据的采集及发送功能。系统上电后进入初始化，一切准备工作就绪后，等待上位机命令，一旦接收到发送来的数据即按命令进行处理，随后将所需数据发送到上位机实时显示。控制系统部分流程如图３所示。
３ＭＯＤＢＵＳ通信协议
目前，Ｍｏｄｂｕｓ通信协议是工业控制领域最为流行的协议，主要分为３种类型：ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ、ＭｏｄｂｕｓＡＳＣＩＩ和ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ／ＩＰ。通信协议栈结构见图４。Ｍｏｄｂｕｓ协议采用主从工作方式，允许一台主机和多台从机进行通信，从机地址由用户设定。地址范围为１－２５５，地址０用作广播地址，所有主机把它当作一条命令来执行，从设备不作任何回应［５］。本设计采用ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ协议，因为ＲＴＵ模式规定了消息、数据的结构、命令和应答方式。在校验上，ＲＴＵ模式采用１６位ＣＲＣ校验［６］，ＣＲＣ校验保证了数据传输的正确性。在Ｍｏｄｂｕｓ协议中，一般ＣＲＣ产生的校验数据位于ＭｏｄｂｕｓＡＤＵ的后两个字节，比如在本设计中，主站上位机需要向下位机写入的数据是：０ｘ０００ｘ０００ｘ０００ｘ０４，按照图５，先后加入从地址（系统默认为１）、功能码和校验位形成ＭｏｄｂｕｓＡＤＵ（０ｘ０１０ｘ０３０ｘ０００ｘ０００ｘ０００ｘ０４０ｘ４４０ｘ０９），再通过串口发送给下位机，下位机再对接收到的数据包进行解析，从而得知要执行的动作，并将上位机所需的数据（０ｘ０１０ｘ０３０ｘ０８０ｘ０００ｘ１ａ０ｘ０００ｘ１ｅ０ｘ０００ｘ０９０ｘ０００ｘ１ａ０ｘｄ７０ｘｄｄ）以同样的方式传送给上位机。收到的数据同样包括站号和功能码，该处功能码是３，最后两字节是校验位，０ｘ０８表示返回的数据字节数。数据位采用大端模式，０ｘ０００ｘ１ａ０ｘ０００ｘ１ｅ０ｘ０００ｘ０９０ｘ０００ｘ１ａ分别表示十进制数２６，３０，９，２６。根据标准Ｍｏｄｂｕｓ协议规范（Ｍｏｄｂｕｓ通用数据帧如图５所示），通过串口通信的ＡＤＵ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＤａｔａＵｎｉｔ）最大字节长度为２５６ｂｙｔｅｓ，所以在通信过程中ＰＤＵ长度是：２５６－Ｓｅｒｖｅｒａｄｄｒｅｓｓ（１ｂｙｔｅ从地址）－ＣＲＣ（２ｂｙｔｅＣＲＣ校验）＝２５３ｂｙｔｅｓ。Ｓｅｒｖｅｒａｄｄｒｅｓｓ：从地址。用于标识和上位机通信的下位机模块，具有唯一性。Ｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｄｅ：功能码。它是Ｍｏｄｂｕｓ协议最重要的标志，位于所需数据之前，表示上位机给下位机下达的命令。下位机接收到数据包后解析出功能码，按照功能码执行上位机分配的任务，随后返回上位机所需数据（同时返回相同的功能码以便上位机识别）。本设计使用的Ｍｏｄｂ－ｕｓ协议功能码见表１。
４运行结果
４．１上位机运行界面
通过本机设置选择需要连接的串口，打开串口后点击开机按钮，通过ＲＳ２３２接口与下位机通信，将采集到的数据上传到上位机并进行实时显示，运行界面如图６所示。为了更加直观形象地看到数据的动态显示，通过组态软件设计了组态画面，用于对接收到的数据进行模拟显示，部分运行界面如图７所示。
４．２Ｍｏｄｓｃａｎ测试验证
为了测试接收的数据是否正确，选择Ｍｏｄｓｃａｎ软件进行验证，用以读取寄存器中的数值。经过对数据的分析和验证表明该系统数据采集的正确性，如图８所示。
５结语
本设计实现了对ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６单片机中存储的４～２０ｍＡ模拟量转换为工程值后的数据采集，并使用组态软件进行仿真。对运行结果的分析表明，上位机操作便捷、运行良好。系统充分运用了ＭｏｄｂｕｓＲＴＵ协议进行数据传输，协议中的ＣＲＣ校验减少了数据出错，这一点进一步说明了Ｍｏｄｂｕｓ协议在工业控制领域中的优势。
作者：朱姣 单位：西安石油大学计算机学院