Modbus協(xié)議在礦井頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        引言

        目前，國(guó)內(nèi)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)種類繁多，其監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)為瓦斯、一氧化碳和溫度等。礦井頂板監(jiān)測(cè)具有測(cè)點(diǎn)多、跨距大等特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)礦井頂板監(jiān)測(cè)的設(shè)備主要為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)儀表，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無(wú)法完成煤礦巷道頂板的在線多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

        本文針對(duì)礦井頂板監(jiān)測(cè)的不足，采用Mobus RTU協(xié)議和RS485 總線設(shè)計(jì)了頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井頂板網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，從一定程度上提高了礦井頂板監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平。

        一、Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

        Modbus網(wǎng)絡(luò)屬于一種主從網(wǎng)絡(luò)，允許一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)通信。通信采用命令/ 應(yīng)答方式。命令幀由主機(jī)發(fā)出，從機(jī)以應(yīng)答幀的方式響應(yīng)主機(jī)。每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一的地址，主機(jī)通過(guò)從機(jī)地址與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。 Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式，其分別為ASCII模式和RTU模式。在ASCII模式的消息中，每8 Bit字節(jié)都作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送;在RTU模式的消息中，每8 Bit 字節(jié)包含兩個(gè)4 Bit 的l6 進(jìn)制字符。RTU模式中，1 字節(jié)的信息作為一個(gè)8位字符被發(fā)送, 而在ASCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送。因此，相同波特率，RTU 模式比ASCII模式可以傳送更多的數(shù)據(jù)，字符的密度也更高。就本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、傳輸數(shù)據(jù)量大。因此，本系統(tǒng)選用RTU模式作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊模式，消息結(jié)構(gòu)如表1 所示。

        對(duì)于主機(jī)，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，如表1 的T1-T2-T3-T4所示。當(dāng)從機(jī)接收到第一字節(jié)接后判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，又一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了一幀消息結(jié)束。此時(shí)，從機(jī)對(duì)收到消息的地址、功能碼、數(shù)據(jù)段進(jìn)行CRC校驗(yàn)。倘若校驗(yàn)結(jié)果與消息包含的CRC校驗(yàn)吻合，則表示通信正常，否則返回錯(cuò)誤代碼，表示幀通訊存在錯(cuò)誤，通知主機(jī)重發(fā)命令幀。同時(shí)，整個(gè)報(bào)文幀必須以連續(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 。

        二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        礦井頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1 個(gè)主機(jī)和30個(gè)從機(jī)組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主、從機(jī)之間的物理層為RS-485總線。主機(jī)可以對(duì)總線上的任一從機(jī)發(fā)送查詢和控制命令。主機(jī)、從機(jī)之間采用Modbus RTU通訊協(xié)議。

        三、硬件設(shè)計(jì)

        從機(jī)硬件框圖如圖2 所示，主要由AT89C52單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集、LCD 顯示和通信及電源模塊等組成。頂板下沉傳感器經(jīng)A/D模塊與單片機(jī)連接，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)處理后與頂板安全預(yù)警閾值比較、判斷，并依據(jù)比較的結(jié)果是否聲光報(bào)警。通訊波特率、傳輸格式以及從機(jī)ID均可通過(guò)鍵盤設(shè)置。主機(jī)硬件除了將從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊換成海量存儲(chǔ)模塊外，其它與從機(jī)結(jié)構(gòu)基本相。

        通訊硬件原理圖如圖3 所示。單片機(jī)TXD和RXD經(jīng)由MAX485的RO和DI與RS485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;通過(guò)P1.6 和P1.7 控制MAX485 的DE和/RE ，從而控制數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

        四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        主機(jī)通信程序如圖4 所示，從機(jī)通信程序如圖5 所示。主機(jī)、從機(jī)接收和發(fā)送均采用中斷方式。主機(jī)首先進(jìn)行總線通信故障測(cè)試，如測(cè)試正確則根據(jù)RTU協(xié)議幀的格式給分機(jī)發(fā)送消息。當(dāng)從機(jī)收到消息后，首先判斷消息中的地址是否與本機(jī)相符，如相符則繼續(xù)下面的處理，否則拋棄該消息，繼續(xù)執(zhí)行其它應(yīng)用程序。從機(jī)在地址校驗(yàn)正確后進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，如果校驗(yàn)錯(cuò)則生成錯(cuò)誤代碼80H 返回，并請(qǐng)求主機(jī)重發(fā)消息;如果校驗(yàn)正確，繼續(xù)判斷消息中的功能碼是否可以被執(zhí)行，是則執(zhí)行這個(gè)功能，返回處理結(jié)果。否則返回錯(cuò)誤代碼81H ，通知主機(jī)功能碼無(wú)效。

        主機(jī)發(fā)送完消息后等待從機(jī)返回消息。主機(jī)收到從機(jī)返回的消息幀后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)錯(cuò)，則向從機(jī)發(fā)送命令請(qǐng)求。如果校驗(yàn)正確，則對(duì)功能碼進(jìn)行判斷并做相應(yīng)處理。處理方式有出錯(cuò)處理和正常處理。出錯(cuò)處理是主機(jī)依據(jù)不同的錯(cuò)誤代碼做出相應(yīng)的處理;正常處理為主機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。

        五、在RTU協(xié)議模式下，前后幀之間停頓時(shí)間間隔必須大于等于3.5個(gè)字符時(shí)間、幀內(nèi)兩個(gè)字符之間最大時(shí)間間隔小于等于1.5個(gè)字符時(shí)間。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用AT89C52的一個(gè)定時(shí)器計(jì)算起始字符時(shí)間, 定時(shí)器設(shè)置為0.5個(gè)字符時(shí)間，同時(shí)設(shè)置2 個(gè)變量作為字符時(shí)間計(jì)數(shù)器。在定時(shí)器中斷程序中, 分別將2 個(gè)變量a 和b 不斷累加并判斷其是否達(dá)到7 和3 ，并在該定時(shí)器中斷服務(wù)程序中設(shè)定幀結(jié)束標(biāo)志。如果a 大于3 或b 小于7則說(shuō)明幀接收不完整，則發(fā)送錯(cuò)誤代碼82H 。

        六、試驗(yàn)結(jié)果

        在實(shí)驗(yàn)室中，利用Modbus調(diào)試軟件分別對(duì)主機(jī)和分機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試波特率選取9600 。主機(jī)讀取分機(jī)(功能碼為03H )測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。最后，本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

        七、結(jié)論

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，礦井頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Modbus RTU協(xié)議可靠的實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)分機(jī)與總機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信以及30個(gè)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)的在線監(jiān)測(cè)，滿足了煤礦井下工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行要求。由于目前國(guó)內(nèi)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)大部分采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU協(xié)議，使得監(jiān)測(cè)分機(jī)很方便與國(guó)內(nèi)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，因而具有很好的使用前景。

        來(lái)自:百度文庫(kù)