一种基于Modbus协议的压缩气体流量计通讯模块设计

摘要：西门子 SITRANS FUS 超声波流量的表头支持 4-20mA 电流信号输出和 RS232 文本日志输出，都无法与水利部门采 用 Modbus 协议的取水监测设备进行通信。针对此问题，本文自主设计并实现了一种支持Modbus 协议的通讯模块，能够实时解析 流量计表头 232 端口输出的文本信息，并将其转换成 Modbus 协议报文，与取水监测设备进行通信。该通讯模块具有结构简单、可 拓展性强、成本低的优点。
1 概述
西门子 SITRANS FUS 外夹式压缩气体流量计的标准表头支 持 4- 20mA 电流信号输出，而水利部门的取水监测设备应用层 采用的是 Modbus 协议，物理层采用的是 RS485 标准，无法与SITRANS FUS 流量计的表头通信。针对这一问题，本文自主设 计并实现了一种支持 Modbus 协议的通信模块，使得超声波流量计表头与取水监测设备可以以 Modbus 协议进行通讯。
2 系统架构
图 1 为本文设计的 Modbus 通讯模块与取水流量监测设备、 压缩气体流量计表头组成的系统架构示意图。该模块通过SITRANS FUS压缩气体流量计表头的 232 接口与流量计表头通信；通过 485 接口，以 Modbus 协议与水利部门的取水监测设备通信。通讯模块将压缩气体流量计的信息解析并封装成 Modbus报文，提供给取水监测设备读取。硬件方面，采用成熟的STM32F407 开发板，带有 232 接口和 485 接口，本文主要实现软件部分的功能。

3 软件设计
3.1 软件架构
Modbus 通讯模块的软件架构如图 2 所示，分为硬件层、硬件抽象层，中间层和应用层。中间层包括一个实时操作系统FreeRTOS 和一个针对嵌入式环境开发的轻量级 Modbus 协议库Freemodbus。在应用层，主要创建了三个任务，232_Task 负责读 取和解析流量计表头输出的文本信息，Modbus_Task 负责存储 解析后的流量计数据到 Modbus 寄存器表，以及以 Modbus 协议与取水监测设备通信，LED_Task 是一个辅助任务，主要用来提示程序运行状态。

3.2 软件流程图
图 3 为 Modbus 通讯模块的软件流程图，创建的三个任务都是以 FreeRTOS 系统的消息（Message）来驱动。

4 测试与通讯联调
Modbus 通讯模块如图 4 所示。为保证供电稳定，使用了电源切换装置给主板供电，共有主副两路 5V 电源。

在 PC 上使用权威工具测试软件 Modbus poll，作为 Modbus主机对通讯模块进行测试。通讯模块作为 Modbus 从机响应Modbus Poll 软件发出的请求。通讯模块内部使用Modbus 的输入寄存器（Input Register）存储流量计数据。Modbus Poll 发送的测试命令字节流为：01 04 00 00 0014 F0 05。其中 0x01 为 Modbus 从机地址，0x04 功能码为读取 输入寄存器命令，0x0000 为读取寄存器的起始地址，0x0014(20)为读取寄存器的个数，0xF0 0x05 为 CRC 校验码。

Modbus Poll 通讯测试结果如图 5 所示：Tx = 24140，Err =0，ID = 1，F = 04，SR = 1000ms，Log = on。 其中 ，Tx 为Modbus Poll 发送命令次数，也就是说在测试期间 Modbus Poll软件共发送读输入寄存器命令 24140 次（发送间隔为 1s，测试时间为 6.7 小时）；Err 为通讯错误数，Err = 0 表明 Modbus 通讯模块正确响应次数为 24140 次（错误数为 0）。
5 结论
本文针对 FUS 压缩气体流量计无 Modbus 通讯接口，无法与取 水监测设备通讯的问题，自主设计并实现了一种基于微处理器STM32F407 的低成本 Modbus 通讯模块。在通讯模块的主控芯 片 上 移 植 了 开 源 代 码 库 FreeModbus 和 开 源 操 作 系 统FreeRTOS，实现了对流量计表头输出文本的解析，以及与Modbus 主机的通讯，从而实现了给 FUS 压缩气体流量计表头增加Modbus 通讯的功能。测试结果表明，该通讯模块工作稳定可靠，具备了在较高通讯频率下正确响应 Modbus 主机请求的能力，达到了实用要求。该通讯模块也具备一定的可拓展性，可应用 在公司其它 FUS 压缩气体流量计上，并且很容易通过 485 总线与DCS 系统或 PLC 进行通讯。