基于LabVIEW 和Modbus∕TCP的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

馬昱超 劉慧琰 劉鵬飛 侯 娟

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450047）

0 引言

高低溫試驗(yàn)箱是通過模擬高低溫交變環(huán)境來檢測電子產(chǎn)品等的零部件及材料的可靠性，從而被廣泛應(yīng)用于材料、電子、通信、航天等領(lǐng)域，是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性的基礎(chǔ)檢驗(yàn)手段之一，也是科學(xué)研究試驗(yàn)檢驗(yàn)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)［1-2］。在實(shí)際工作中，高低溫試驗(yàn)過程中的循環(huán)時間較長，且整個試驗(yàn)環(huán)境惡劣，常伴有噪聲、震動等。此外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通常會有數(shù)十臺高低溫試驗(yàn)箱同時進(jìn)行試驗(yàn)，交叉管理過程復(fù)雜，需要更多人員負(fù)責(zé)監(jiān)控，否則無法及時監(jiān)測到所有溫箱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所以，設(shè)計出一套高低溫試驗(yàn)箱集中監(jiān)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室溫箱實(shí)時溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)控、報警、數(shù)據(jù)保存及查詢是很有必要的。

王曉英等［1］基于CAN 總線通信來控制高低溫試驗(yàn)箱，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對溫箱的監(jiān)控。劉西強(qiáng)等［2］采用WIFI無線通信技術(shù)，利用RS-485 接口總線來聯(lián)網(wǎng)控制高低溫試驗(yàn)箱，從而實(shí)現(xiàn)對溫箱的控制和溫濕度監(jiān)控。本研究參考《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1101—2019）中溫度濕度測量標(biāo)準(zhǔn)，對高低溫試驗(yàn)箱等環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。在溫箱試驗(yàn)中，將溫濕度傳感器放在待測產(chǎn)品上的合適位置處，建立終端主機(jī)與溫濕度記錄儀間的通信，實(shí)時采集溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室高低溫試驗(yàn)箱工作中溫濕度數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控管理。該方法不用對各種類型的溫箱分別進(jìn)行控制，而是采用統(tǒng)一控制溫濕度記錄儀設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境試驗(yàn)中多個溫箱溫濕度的集中監(jiān)控管理，并有效避免溫箱因時間緩慢變化而導(dǎo)致控制器難以達(dá)到令人滿意的控制質(zhì)量等問題，后期方便擴(kuò)展，可移植性好。

根據(jù)上述設(shè)計思路，本研究設(shè)計出一種基于LabVIEW 和Modbus∕TCP 通信協(xié)議的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［3-4］。該系統(tǒng)基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，利用其強(qiáng)大的圖形用戶界面（GUI）、高效的開發(fā)速度，充分利用Modbus∕TCP 通信協(xié)議高可靠性、低成本、允許多臺儀器與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，可同時對七臺溫濕度記錄儀進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集、存儲記錄。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、界面友好，為實(shí)驗(yàn)室多個溫箱的實(shí)時溫濕度數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供一種行之有效的解決方案［5-6］。

1 Modbus∕TCP核心通信模塊

1.1 Modbus∕TCP

Modbus 通信協(xié)議在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用很廣泛。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)及“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念的興起，Modbus 通信技術(shù)也由串行總線發(fā)展到Modbus∕TCP 新模式［7］。Modbus 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開放，支持多種電氣接口，如RS232、RS485、TCP∕IP 等，其消息幀格式簡單緊湊，便于開發(fā)和集成。Modbus ∕TCP 是運(yùn)行在TCP ∕IP 網(wǎng)絡(luò)上的Modbus 報文傳輸服務(wù)，其傳輸過程采用的是TCP∕IP 以太網(wǎng)參考模型的5 層，通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸Modbus 協(xié)議報文，且國際互聯(lián)網(wǎng)組織規(guī)定并為其賦予TCP∕IP 協(xié)議棧上的502 端口，專門用來訪問Modbus 設(shè)備，這樣有利于保證通信的安全、實(shí)時、可靠。

1.2 通信協(xié)議

Modbus 協(xié)議是一個主∕從或客戶端∕服務(wù)器架構(gòu)協(xié)議，其提供的統(tǒng)一功能碼用于數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該協(xié)議定義了protocol data unit（PDU）模型，即“功能碼+數(shù)據(jù)”。為了適應(yīng)多種傳輸模式，在PDU 基礎(chǔ)上增加了地址域和差錯校驗(yàn)，形成Application Data Unit（ADU）模型，如圖1 所示。Modbus∕TCP 協(xié)議與Modbus協(xié)議的差別在于，Modbus∕TCP協(xié)議沒有校驗(yàn)域，這是因?yàn)門CP ∕IP 協(xié)議和其鏈路層保證了傳輸數(shù)據(jù)的完整性和正確性［8］。Modbus∕TCP數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元格式如圖2所示，主要包括三個部分，即MBAP報文頭、功能碼、數(shù)據(jù)域。MBAP又稱Modbus協(xié)議報文頭，分為四個域，共七個字節(jié)，對Modbus參數(shù)及功能進(jìn)行解釋。

圖1 通用Modbus幀結(jié)構(gòu)

圖2 Modbus∕TCP幀結(jié)構(gòu)

1.3 通信模式

Modbus∕TCP 采用客戶端∕服務(wù)器的模式來交換實(shí)時信息。通常存在四種報文類型，即請求、確認(rèn)、指示、響應(yīng)?？蛻舳藙?chuàng)建Modbus 應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，形成查詢報文，在網(wǎng)絡(luò)上向服務(wù)器端發(fā)出請求，服務(wù)器在接收到請求報文后，根據(jù)功能碼發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)信息，客戶端要確認(rèn)接收到響應(yīng)信息。本研究設(shè)計的系統(tǒng)終端主機(jī)向溫濕度采集設(shè)備發(fā)出請求，接收溫濕度數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件組成

溫濕度采集系統(tǒng)硬件部分由上位機(jī)（終端主機(jī)）、下位機(jī)（七套溫濕度記錄儀、溫濕度傳感器）、路由器等構(gòu)成，如圖3 所示。其中，溫濕度記錄儀由上海禮鑫測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)制造，傳感器型號為HTC-XB32。

圖3 溫濕度采集系統(tǒng)實(shí)物

溫濕度記錄儀與上位機(jī)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口有三種，分別為RS-232、RS-485 和EtherNet。根據(jù)實(shí)際情況來選擇通信接口，適合組網(wǎng)的有RS-485和EtherNet，由于RS-485 的傳輸方式為半雙工，EtherNet的傳輸方式為全雙工，且RS-485 接口對應(yīng)的Modbus 協(xié)議要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，EtherNet 對應(yīng)的Modbus∕TCP協(xié)議一般不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，即EtherNet組網(wǎng)更加簡單方便，所以本研究設(shè)計的系統(tǒng)選用網(wǎng)口通信。

下位機(jī)通過溫濕度傳感器來采集溫箱的溫濕度數(shù)據(jù)，由于每臺溫濕度記錄儀最多有8 通道信號，可采集4 路溫濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的溫箱數(shù)量，系統(tǒng)上位機(jī)需要與七臺記錄儀組網(wǎng)連接，并與記錄儀進(jìn)行交互通信，統(tǒng)一采集溫濕度數(shù)據(jù)，最多可監(jiān)控28路溫濕度數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

3.1 數(shù)據(jù)報文分析

在本研究設(shè)計的系統(tǒng)中，上位機(jī)通過Modbus∕TCP 通信來獲取下位機(jī)溫濕度采集設(shè)備的溫度和濕度數(shù)據(jù)。使用的通信模塊功能碼包括0x03（讀取保持寄存器命令）、0x10（寫入寄存器命令）和0x04（讀取輸入寄存器命令）［9］。以下詳細(xì)介紹0x04 功能碼。

查看溫濕度記錄儀通信指令說明，0x04是讀取對應(yīng)輸入寄存器地址的命令，用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手輸入Modbus，讀取輸入寄存器地址指令（00 00 00 00 00 06 01 04 00 00 00 02），代表第一通道的數(shù)據(jù)讀取指令。在上述Modbus TCP 消息幀中，0x06 代表后續(xù)還有6個字節(jié)，0x01單元標(biāo)識符為1，0x04功能碼為4，即讀取輸入寄存器的值。0x00 0x00代表Modbus的起始地址為0，0x00 0x02 代表讀取寄存器個數(shù)為2。響應(yīng)報文為00 00 00 00 00 07 01 04 04 C1 D8 41 B2。其中，0x07 代表后續(xù)還有7 個字節(jié)，0x01 同查詢報文，單元標(biāo)識符為1，0x04 同查詢報文，功能碼為4，0x04 表示返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，C1 D8 41 B2 是寄存器的值。由于采集設(shè)備存儲字節(jié)的順序默認(rèn)為2-1、4-3，屬大端模式，所以高位為41 B2，低位為C1 D8，解算浮點(diǎn)數(shù)為22.35。

3.2 LabVIEW 采集模塊

LabVIEW 是一種圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于科研、測試和工業(yè)自動化等領(lǐng)域，是一款便于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的軟件開發(fā)平臺［10］。該平臺提供了大量內(nèi)置硬件驅(qū)動程序、控件、函數(shù)庫和通信模塊供人使用。通過高效利用現(xiàn)有通信模塊，開發(fā)人員能順利進(jìn)行編程設(shè)計，從而快速完成所需功能的模塊化程序開發(fā)。LabVIEW 平臺中的Modbus∕TCP 模塊中Modbus-MB-Ethernet-Master Query 子VI 函數(shù)如圖4 所示。函數(shù)輸入端包括Modbus 通信幀命令簇、協(xié)議報頭、TCP 連接引用句柄、超時、錯誤輸入等，輸出端包括返回寄存器的數(shù)值、TCP連接引用句柄、錯誤輸出等。

圖4 Modbus-MB-以太網(wǎng)-主查詢

在本研究設(shè)計的系統(tǒng)中，采集數(shù)據(jù)模塊主要用于讀取所需寄存器的返回數(shù)值。在Modbus Command 簇控件中，功能代碼選擇4（Read Input Registers）。配置好讀取起始地址參數(shù)后，就可表示出Modbus對應(yīng)的消息幀，通過有效通信來采集數(shù)據(jù)。

3.3 軟件數(shù)據(jù)采集子程序

采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計如圖5 所示。利用Labview TCP 通信模塊與Modbus 庫中的Modbus-MB-Ethernet-Master Query 函數(shù)，使用TCP通信模塊配置好端口502、IP 地址等通信參數(shù)，在Modbus 模塊中選擇所需的命令幀指令，在人機(jī)交互控制TCP 通信打開后，讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到相應(yīng)的溫度、濕度。通過系統(tǒng)時間來獲得采集數(shù)據(jù)的日期時間。在求解算子VI時，需要調(diào)用LabVIEW 函數(shù)“從字符串還原”，該系統(tǒng)中字節(jié)順序采用的是big-endian大端模式。

圖5 數(shù)據(jù)采集子程序

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件總體設(shè)計

溫濕度采集系統(tǒng)軟件分為登錄模塊、主程序模塊。登錄模塊是操作員進(jìn)入系統(tǒng)的入口程序，根據(jù)人員權(quán)限進(jìn)入對應(yīng)的主程序界面。主程序包括人員管理、設(shè)備管理、任務(wù)管理、采集控制、圖像管理等功能。人員管理主要負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)室測試人員的授權(quán)管理，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的查看、添加、修改、刪除等功能；設(shè)備管理負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)室溫箱設(shè)備的信息管理，可實(shí)現(xiàn)信息查看、添加、修改、刪除等功能；任務(wù)管理負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)室溫濕度測試試驗(yàn)的任務(wù)管理，可實(shí)現(xiàn)對任務(wù)信息的查看、添加、修改、刪除等功能；采集控制是在高低溫試驗(yàn)運(yùn)行后，開始控制溫濕度記錄儀，對溫濕度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控進(jìn)行控制管理，可實(shí)現(xiàn)對高低溫試驗(yàn)任務(wù)的查看，配置試驗(yàn)參數(shù)，控制試驗(yàn)過程的監(jiān)控管理；圖像管理功能可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程中的溫度、濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)控管理及查看所選試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波形圖、數(shù)據(jù)表格顯示、打印圖像等功能。系統(tǒng)主程序軟件組成如圖6 所示。

圖6 主程序軟件組成

4.2 各組成部分設(shè)計

4.2.1 登錄模塊設(shè)計。登錄界面是系統(tǒng)的啟動界面，其實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 登錄流程

4.2.2 主程序模塊設(shè)計。人員管理、設(shè)備管理、任務(wù)管理采用的是數(shù)據(jù)庫編程設(shè)計，采用Access 數(shù)據(jù)庫來創(chuàng)建人員表（賬號、密碼、權(quán)限）、設(shè)備表（設(shè)備編號、狀態(tài)、有效日期、機(jī)號、IP）、任務(wù)表（任務(wù)編號、負(fù)責(zé)人、預(yù)計開始時間、聯(lián)系人、設(shè)備編號、溫濕度上下限、試驗(yàn)完成情況）等。主程序建立在while 循環(huán)上，通過事件結(jié)構(gòu)，調(diào)用LabVIEW 數(shù)據(jù)庫中的insert、update、execute等模塊，使用SQL語句來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的交互管理。其中，在修改數(shù)據(jù)模塊時，巧妙使用界面表格的高級控件，結(jié)合使用表格“鼠標(biāo)按下”事件與表格“點(diǎn)到行列”方法，來獲取表格中所需修改的屬性參數(shù)，并結(jié)合表格“設(shè)置單元格值”方法來實(shí)現(xiàn)對表格參數(shù)的修改，進(jìn)而執(zhí)行更新指令，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的更新。

在采集控制管理模塊中，利用數(shù)據(jù)庫檢索任務(wù)表與設(shè)備表來列出選中設(shè)備下的任務(wù)單表。測試人員選擇需要做的任務(wù)，系統(tǒng)軟件配置好測試所需的參數(shù)，添加試驗(yàn)生成試驗(yàn)控制參數(shù)簇和試驗(yàn)列表，進(jìn)而控制試驗(yàn)測試過程。當(dāng)系統(tǒng)開始采集設(shè)備數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)將自動保存到以試驗(yàn)名命名的文件中，同時讀取數(shù)據(jù)庫中試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀依據(jù)，并判讀數(shù)據(jù)，若不符合要求，系統(tǒng)會彈出報警對話框，報警指示燈變紅。若數(shù)據(jù)正常，系統(tǒng)將以設(shè)置好的采集時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)默認(rèn)間隔時間為1 s。試驗(yàn)結(jié)束時，控制試驗(yàn)列表停止數(shù)據(jù)采集。采集控制模塊流程如圖8 所示。在圖像管理模塊中，可根據(jù)試驗(yàn)過程生成的試驗(yàn)列表來選擇要查看的試驗(yàn)圖像和實(shí)時數(shù)據(jù)。在設(shè)計保存數(shù)據(jù)模塊中，系統(tǒng)采用NI公司推出的TDMS文件來存儲數(shù)據(jù)，這是因?yàn)門DMS存儲具有速度快、文件小的優(yōu)勢。

圖8 采集控制流程

4.3 系統(tǒng)運(yùn)行測試

在實(shí)驗(yàn)室通過模擬聯(lián)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常；對系統(tǒng)進(jìn)行軟件測試試驗(yàn)，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均正常。通過配置具體的試驗(yàn)條件參數(shù)，數(shù)據(jù)采集過程運(yùn)行正常，可用來監(jiān)控溫箱內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)變化。四組溫度數(shù)據(jù)按照預(yù)期結(jié)果可正常記錄存儲，能正常查看選中的試驗(yàn)波形圖數(shù)據(jù)。在生成的數(shù)據(jù)文件中查看時間記錄，驗(yàn)證無遺漏數(shù)據(jù)。經(jīng)過長時間的運(yùn)行測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)正常可靠，未出現(xiàn)通信異常、突然死機(jī)等嚴(yán)重故障。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中對溫箱的溫濕度實(shí)時監(jiān)測，利用LabVIEW 開發(fā)平臺和Modbus∕TCP 通信技術(shù)，能有效提高實(shí)驗(yàn)室溫箱的自動化管理程度［11］，為整個試驗(yàn)過程提供便利，節(jié)省了人力物力，便于監(jiān)控試驗(yàn)溫濕度數(shù)據(jù)，管理試驗(yàn)快速有效的運(yùn)行。此外，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，便于后期維護(hù)，功能易于擴(kuò)展，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于Web 瀏覽器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該套采集系統(tǒng)的應(yīng)用，能進(jìn)一步提高對實(shí)驗(yàn)室溫箱設(shè)備的管理水平，有效推動實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)化、自動化和信息化。