MODBUS協(xié)議在中子發(fā)生器控制臺中的應(yīng)用

魯　興，喬　雙

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的大型核反應(yīng)堆越來越不適合民用生產(chǎn).中子發(fā)生器以其小型化、價格低、產(chǎn)額高、產(chǎn)生與關(guān)閉的可控性的優(yōu)勢，在工業(yè)、國防、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.它主要由中子管和控制臺組成，中子管是把離子源、加速系統(tǒng)、靶、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)密封在陶瓷管內(nèi)組成的電真空器件，配合中子發(fā)生器控制臺給予的低、中、高三路電壓，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的中子.[1]傳統(tǒng)的控制臺使用電壓表、電流或者使用簡單的串口通信觸摸屏監(jiān)測中子管的三路電壓、電流情況.由于有高壓的存在，放電不可避免，因此會對電路及通信和控制造成干擾，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不精確，傳輸不穩(wěn)定.MODBUS作為一種開放式現(xiàn)場總線通信協(xié)議，以其支持較多類型的電氣接口，具有透明通信、幀結(jié)構(gòu)簡單、緊促、格式規(guī)范、易于傳輸、通俗易懂的優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于電子控制裝置上.[2]本文將MODBUS協(xié)議移植到中子發(fā)生器控制臺中，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)備之間的雙向、串行通信，使得PC機、中子發(fā)生器控制臺對中子管的工作狀態(tài)的監(jiān)測與控制更加可靠和穩(wěn)定，最終實現(xiàn)中子發(fā)生器的長期穩(wěn)定工作.

1　MODBUS通信協(xié)議簡介

1.1　MODBUS協(xié)議通信方式

MODBUS采用主從通信方式，在同一主設(shè)備下可控制多達255個從設(shè)備.標準MODBUS協(xié)議可以配合RS232、RS485物理接口使用.通信以幀為單位，一次有效的通信由若干幀組成.MODBUS通信一般有ASCII模式和RTU模式.當控制器設(shè)定在MODBUS網(wǎng)絡(luò)上時以ASCII模式通信，消息中的每個8 B字節(jié)都作為一個ASCII碼發(fā)送.這種方式的主要優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達到1 s而不產(chǎn)生錯誤.當控制器設(shè)在MODBUS網(wǎng)絡(luò)上時以RTU模式通信，在消息中的每個8 B字節(jié)包含2個4 B的 十六進制字符.[3]這種方式的主要優(yōu)點：在同樣的波特率下，比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù).現(xiàn)在工業(yè)上多數(shù)采用RTU模式，因為它傳輸速率更快.

1.2　MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸格式

RTU模式下通信的數(shù)據(jù)幀格式見表1.

MODBUS的RTU模式規(guī)定不同數(shù)據(jù)幀之間的間隔是3.5個字節(jié)以上.如果在一幀數(shù)據(jù)完成之前有超過3.5個字節(jié)時間的停頓，接收設(shè)備將刷新當前的消息并假定下一個字節(jié)是一個新的數(shù)據(jù)幀的開始.同樣，如果一個新消息在小于3.5個字節(jié)時間內(nèi)接著前邊一個數(shù)據(jù)開始，接收設(shè)備將會認為它是前一幀數(shù)據(jù)的延續(xù).這將會導致一個錯誤，因此RTU數(shù)據(jù)幀最后還有16 B的CRC校驗.[4-6]所以真正的第一幀數(shù)據(jù)是從機地址，第二幀為功能碼，數(shù)據(jù)的幀數(shù)是根據(jù)功能碼來確定的，最后的CRC校驗碼是由一種特定的數(shù)據(jù)算法所得的值，接收方在接收到數(shù)據(jù)后進行CRC計算，把得到的值與計算的值比較.如果正確，則接收.否則這幀數(shù)據(jù)將被丟棄.RTU模式的每個字節(jié)的位分布：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位(最小有效位先發(fā)送)、1個奇偶校驗位(如果無校驗則沒有此位)、1個停止位(有校驗位時)或者2個停止位(無校驗位時).所以MODBUS編程時不僅要選好通信模式，而且要設(shè)置好一些串口參數(shù)，如波特率、停止位等，MODBUS常用功能碼見表2.

表2　MODBUS常用功能碼

2　基于MODBUS協(xié)議控制臺硬件設(shè)計

中子發(fā)生器控制臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.上位機監(jiān)控界面通過基于MODBUS協(xié)議的串口將控制指令發(fā)給控制臺中的主控制器，主控制器按照該協(xié)議調(diào)節(jié)離子源電路、儲存器電路、高壓源電路的狀態(tài)，產(chǎn)生用戶所需要的中子.同時通過A/D采樣通道實時監(jiān)測中子管工作情況，防止發(fā)生意外.

圖1　中子發(fā)生器控制臺的總體框圖結(jié)構(gòu)

3　基于MODBUS協(xié)議控制臺軟件設(shè)計

本文采用MODBUS RTU通信模式，主站利用LabVIEW人機交互界面實現(xiàn)，從站使用DSP TMS320F2812實現(xiàn)，主站與從站之間通過串口通信.過去普通的串口通信運用在中子發(fā)生器控制臺中，常常發(fā)生通信錯誤，造成通信中斷或數(shù)據(jù)堆積等現(xiàn)象.在普通串口通信中添加MODBUS通信協(xié)議，控制臺的主站會先給從站發(fā)送一個從機地址位，從站對此進行判斷，一旦從機地址位錯誤，即丟棄所有接收到的數(shù)據(jù).并且在控制臺里的從站接收完一個指令的數(shù)據(jù)后，計算出CRC碼并與主站傳輸?shù)腃RC碼對比，如果正確，則根據(jù)相應(yīng)的功能碼對中子發(fā)生器進行控制.而且MODBUS協(xié)議還規(guī)定了一幀數(shù)據(jù)間傳輸時間，對數(shù)據(jù)的正確性進行了判斷，并且相較于普通串口通信，控制臺中MODBUS協(xié)議對數(shù)據(jù)傳輸錯誤有很多的處理機制，這使中子發(fā)生器在高壓放電干擾的環(huán)境下通信不會中斷，不會因為錯誤的數(shù)據(jù)傳輸而對中子發(fā)生器進行錯誤的調(diào)控，從而導致設(shè)備的損壞.

3.1　下位機MODBUS協(xié)議程序設(shè)計

(1) 編寫超時定時器初始化函數(shù)、定時器中斷函數(shù).

在超時定時器初始化函數(shù)里設(shè)置3.5個字節(jié)以上通信時間.保證不同數(shù)據(jù)幀之間的良好區(qū)分.部分代碼如下：

void init_eva_timer2(void)；

{ EvaRegs.T2PR = 0x5160 // Period；

EvaRegs.EVAIMRB.bit.T2PINT = 1;

EvaRegs.EVAIFRB.bit.T2PINT = 1;

EvaRegs.T2CNT = 0x0000;

EvaRegs.T2CON.all = 0x1040 // Clear the counter for GP timer 2}.

(2) 串口函數(shù)的編寫.

設(shè)置好串口的一些波特率、字節(jié)的位數(shù)，奇偶校驗位、停止位的個數(shù)等參數(shù)，以及串口字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收函數(shù)的編寫.

(3) 校驗函數(shù)(CRC)等的編寫.

(4) 應(yīng)用層函數(shù)的編寫.

對保持寄存器的回函數(shù)、輸入寄存器回函數(shù)等進行編寫，根據(jù)外部功能碼進行功能操作，打開TMS320F2812芯片的AD采集功能，采集中子管此刻的電壓、電流值等[7-8]，返回響應(yīng)數(shù)據(jù).

3.2　上位機MODBUS協(xié)議程序設(shè)計

上位機界面是由LabVIEW軟件進行編寫的[9].在基于MODBUS的設(shè)計中遵循LabVIEW串口編寫思路：(1)串口初始化組件的配置，設(shè)置好波特率、停止位等參數(shù)；(2)發(fā)送和接收模塊制作時嚴格按照MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送、接收格式，加上CRC校驗子函數(shù)(如圖2所示)；(3)關(guān)閉串口通信.

圖2　CRC校驗?zāi)K

4　基于MODBUS協(xié)議的通信實驗與分析

4.1　上位機與下位機的通信實驗

將中子發(fā)生器控制臺里面的DSP下載，基于MODBUS協(xié)議下的程序與PC機上位機界面通過串口相連，選定好波特率、從機地址等參數(shù)，進行通信測試.監(jiān)控中子發(fā)生器的運行情況(如圖3所示).

4.2　中子發(fā)生器運行測試

為了驗證MODBUS協(xié)議對解決高壓放電等強干擾的有效性，本文將移植與沒移植MODBUS協(xié)議的控制臺帶到工業(yè)現(xiàn)場分別進行測試.保證離子源電流工作在400 μA，高壓源為110 kV的條件下，連續(xù)工作8 h，進行對比實驗，具體實驗數(shù)據(jù)見表3.

表3　控制臺實驗數(shù)據(jù)

將嵌入MODBUS協(xié)議的中子發(fā)生器控制臺用于工業(yè)物料實時在線元素分析現(xiàn)場[10]，經(jīng)過長期使用證明控制臺相較于普通串口控制臺通信更加穩(wěn)定、可靠，表現(xiàn)出比較高的抗干擾性和可靠性，能有效快速控制中子發(fā)生器，完全滿足實際需要.

5　結(jié)語

MODBUS通信協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上，特別是在以嵌入式微處理器為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，它的可靠性和穩(wěn)定性經(jīng)過長期的驗證，在中子發(fā)生器控制臺的通信編程過程中運用到MODBUS協(xié)議，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信方式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更加可靠、穩(wěn)定，使中子發(fā)生器控制的精確度、可靠性大幅提升，為中子發(fā)生器的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ).

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