摘要：基于Ｍｏｄｂｕｓ協議設計了一種玻璃管液位計模塊設計，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計的通信方式，對內部程序進行了介紹，并進行了輸入輸出測試。將所設計的玻璃管液位計模塊設計應用于十字滑臺電氣控制，取得了良好的效果。

    １  設計背景
    傳統玻璃管液位計系統中，常用可編程序控制器控制步進驅動器或伺服驅動器，進而實現運動控制。但是，可編程序控制器較難實現復雜的運動軌跡控制。隨著嵌入式技術日趨完善，各類ＡＲＭ處理器在玻璃管液位計中被廣泛應用。筆者應用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ協議設計了一種玻璃管液位計模塊設計［１－２］。這一模塊具有數字量輸入采集、數字量輸出控制和高速脈沖輸出功能，能夠通過內部程序來控制步進驅動器或伺服驅動器，實現復雜的運動軌跡控制。

    ２  硬件設計
    所設計的玻璃管液位計模塊設計結構如圖１所示，采用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片作為控制核心，應用ＭＡＸ485芯片實現ＲＳ485通信［3］，應用ＥＬ357芯片實現輸入信號和輸出信號的隔離［］。這一玻璃管液位計模塊設計可以接收１６位開關型輸入信號，控制7路輸出，能夠實現4路高速脈沖控制。

    ２．１ＲＳ485接口電路
    所設計的玻璃管液位計模塊設計有兩路ＲＳ485通信接口。ＲＳ485接口電路采用ＭＡＸ485芯片，如圖２所示。電路不發送數據時，ＴＸＤ１為高電平，三極管Ｑ１導通，ＲＥ為低電平使能，ＲＯ端接收數據，ＭＡＸ485芯片處于接收狀態。電路發送數據時，ＴＸＤ１由高電平變為低電平，時間長短與通信速率有關，三極管Ｑ１截止，ＭＡＸ485芯片處于發送狀態。

    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計的開關量輸入信號端。ＥＸ0輸入信號經過電路處理后，產生輸出信號Ｘ0。Ｘ0接ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片的引腳，為玻璃管液位計模塊設計內部程序提供輸入信號。采用ＥＬ357芯片完成外部設備輸入信號與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芯片引腳所產生的輸出信號。ＳｉｇｎａｌＹ0信號經過電路處理后，變為ＯｕｔＹ0信號。ＯｕｔＹ0信號連接輸出驅動電路，產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
    所設計的玻璃管液位計模塊設計，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計基于Ｍｏｄｂｕｓ協議的遠程終端（ＲＴＵ）模式設計，按客戶端模式進行工作。上位機包括觸摸屏、工控機等，可以發送0Ｘ0１～0Ｘ04指令，使輸入端口（Ｘ端口）、輸出端口（Ｙ端口）的狀態數據反饋至上位機。上位機也可以使用0Ｘ05、0Ｘ0６、0Ｘ0Ｆ和0Ｘ１0指令實現輸出端口通斷控制和模塊內部寄存器數據設定功能。上位機與模塊之間的數據通信采用串口通道接發數據幀來實現。每一個指令都有特定的符合Ｍｏｄｂｕｓ協議的數據幀格式，數據幀采用Ｈｅｘ編碼。

    4  軟件設計
    所設計的玻璃管液位計模塊設計，其內部程序可以分為四部分———系統初始化、數據接收、數據分析與執行、數據反饋，其中系統初始化包括端口初始化和通信口初始化［5－7］。

　　內部程序結構如圖5所示。
　　模塊通電后，自動進入系統初始化程序，初始化ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片各引腳狀態，讀取芯片存儲數據，恢復至前一次斷電前狀態。同時完成模塊的通信參數設置，如將傳輸速率設置為１９２00ｂｉｔ／ｓ等，并開始連續監聽通信口，等待上位機發送控制指令。當上位機發送控制指令數據幀后，模塊讀取數據幀。接收數據幀后，通過循環冗余校驗碼判斷數據是否有效。如果無效，那么程序返回通信口監聽狀態。如果接收數據有效，那么對數據的地址進行判斷。如果發送來的地址與模塊設置的地址不相同，那么程序返回通信口監聽狀態。如果發送來的地址與模塊設置的地址相同，那么模塊程序對發送來的數據幀進行數據分析與提取，對比模塊內部芯片內存中的指令庫，按對比結果執行相應的功能。執行功能完成后，模塊程序將執行結果數據通過通信口以數據幀的格式反饋至上位機。

    5  測試
    ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ是一種基于Ｍｏｄｂｕｓ協議的服務端模擬器［8］，可以作為上位機測試和調試客戶端，支持遠程終端模式、美國信息交換標準碼，以及傳輸控制協議和網際協議［９］。筆者將ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ作為上位機對所設計的玻璃管液位計模塊設計進行測試。模塊接線如圖６所示，通過這一接線，可以實現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。此時，使用ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ的ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ界面輸入數據幀0１0２000000１07９Ｃ６。其中，0１為模塊地址，0２表示讀取Ｘ端口狀態指令，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，7９Ｃ６為循環冗余校驗碼［１0］。接收到以上數據幀，模塊在執行0Ｘ0２指令后返回數據幀0１0２0２03Ｂ９48，其中，0１為模塊地址，前一個0２表示Ｘ端口狀態指令，后一個0２表示兩個字節，03表示Ｘ0和Ｘ１端口有信號，Ｂ９48為循環冗余校驗碼。

    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界面輸入數據幀0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ，Ｙ0端口輸出高電平，其余Ｙ１～Ｙ６端口為低電平，模塊返回數據幀0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ。返回的數據幀中，0１為模塊地址。05表示執行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，則數據幀為000１，依次類推。ＦＦ00表示設置端口為有輸出，如果需要設置端口為無輸出，則數據幀為0000。8Ｃ3Ａ為循環冗余校驗碼。執行Ｙ0輸出指令后，中間繼電器ＫＡ１線圈得電，其觸點狀態發生改變。如果模塊控制ＫＡ１線圈失電，則所發送的數據幀為0１0500000000ＣＤＣＡ。

    5．3  高速脈沖控制
    當需要有高速脈沖時，上位機使用0Ｘ0６或0Ｘ１0指令設置數據。發送和接收數據的過程與使用0Ｘ0２、0Ｘ05指令過程類似，此處不再詳述。

    ６  應用案例
    應用所設計的玻璃管液位計模塊設計進行十字滑臺電氣控制，電氣控制原理如圖7所示。將所設計的玻璃管液位計模塊設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軸步進驅動器的ＥＮ＋端相連，控制軸步進驅動器工作。模塊的Ｙ１輸出端口與十字滑臺Ｙ軸步進驅動器的ＥＮ＋端相連，控制Ｙ軸步進驅動器工作。模塊的Ａ＿ＤＩＲ和Ａ＿ＰＵＬ高速脈沖輸出端口向Ｘ軸步進驅動器提供控制信號，實現十字滑臺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軸步進驅動器提供控制信號，實現十字滑臺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，可以設置步進驅動器的Ｘ軸、Ｙ軸行程，實時顯示Ｘ軸和Ｙ軸前后端傳感器狀態、電機運行距離、運行次數等參數。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備相連，用于實現功能擴展。

　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計根據觸摸屏設定的軌跡來控制單個步進驅動器或協調控制兩個步進驅動器實現十字滑臺的復雜軌跡運行。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計通過內部程序使十字滑臺停止運行。

    7  結束語
    筆者應用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ4０7芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ協議設計了一種玻璃管液位計模塊設計。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出入與輸出之間復雜的邏輯控制，適用于較為煩瑣的控制場合。通過十字滑臺電氣控制應用案例分析，確認所設計的玻璃管液位計模塊設計具有較高的實用價值。