新拌混凝土測試系統的Modbus-RTU多從站設計

朱鋁芬，呂國芳

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

新拌混凝土測試系統的Modbus-RTU多從站設計

朱鋁芬，呂國芳

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

在新拌混凝土流變性測試系統的開發中，為了實現觸摸屏Weinview MT8100i與多臺MSP430的串行穩定通訊，采用了基于Modbus-RTU通訊協議的多從站設計。多從站接收報文、地址對比后，由站號匹配的MSP430解包辨識、響應請求、打包發送反饋報文，觸摸屏刷新界面。通過觸摸屏與多單片機的主從Modbus-RTU通訊，一個觸摸屏能對多個測試儀進行啟停控制、過程監控、圖形擬合、性能評估。

Modbus-RTU；地址匹配；功能辨識；響應請求；反饋報文

先澆筑后做標準抗壓強度試驗的混凝土質量檢測方法是沒有預知性的[4]，為了在澆筑前預知混凝土的流變性，需要在現場對大批量新拌混凝土的流動性、粘滯性進行實時檢測。在Modbus-RTU協議下，虛擬PLC設備MSP430與觸摸屏成功通訊，實現低成本化、可視化、自動化檢測。為加快檢測效率，需要多MSP430同時檢測不同配合比的混凝土，經比較選擇出最佳配合比。一定程度上，觸摸屏與多MSP430通訊的穩定性決定了測試系統的可靠性，因此Modbus-RTU多從站的設計是非常重要的。

1 測試系統的數學模型及總體設計

1.1 測試系統的流變性模型

公式(1)是“兩點法”測試混凝土流變性的數學模型：

式中：D為旋轉葉片的旋轉直徑，h為旋轉葉片長度，M為旋轉扭矩，n為轉速，R為料漿盒高度，r為旋轉葉片半徑，τ為剪切應力，γ為剪切速率，τ0為屈服應力，η為粘度系數。

MSP430控制電機帶動旋轉葉片在新拌混凝土中轉動，由扭矩傳感器測出旋轉葉片在轉速n下的扭矩M，由M轉化得剪切應力τ，由n轉換得剪切速率γ，通過最小二乘法擬合出不同配合比下混凝土的γ-τ曲線圖，確定流變參數τ0、η。

1.2 測試系統的總體設計

測試系統結構框圖如圖1所示，觸摸屏對多個MSP430的啟停、轉速、轉動時間等參數進行設置；啟動后，獨立的多MSP430同時對不同配合比的新拌混凝土進行采樣、低高低轉速攪拌測扭矩；從站MSP430將各自檢測到的扭矩值、溫度及分析得到的屈服應力、粘滯系數反饋給觸摸屏；觸摸屏刷新流變參數測定界面。

測定新拌混凝土流變參數的關鍵就在于觸摸屏與多MSP430的通訊。使用RS-485總線技術，將觸摸屏設置為Modbus-Server，將多個MSP430設置為不同站號的Modbus-Client，透過Modbus-RTU協議，實現主從機關聯信息的同步更新。

圖1 測試系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the testing system

2 觸摸屏與多MSP430的通訊

2.1 觸摸屏與多MSP430的通訊原理

Modbus-RTU多從站通訊的實質是主從模式[2]，先由主機發出請求報文，多從站通過站號識別自己是否為目標從站，如果站號與自己的獨立地址相匹配則響應請求報文，否則不做響應，主機接收到目標從站的反饋報文后解包提取信息域、更新信息，然后主機再發送下一個請求報文。

表1為Modbus-RTU報文結構，開始、結束至少要有3.5個字符的空閑間隔，整個報文連續且傳輸的兩個連續字節時間間隔必須小于1.5個字符[1]。

表1 Modbus-RTU報文結構Tab.1 Structure of Modbus-RTU message

2.2 觸摸屏與多MSP430的通訊設置

為正常通訊，需做如下設置：在MTP程序的設備列表中增加多個Modbus-RTU類型的PLC設備，設備接口為RS-485，站號對應為目標MSP430的站號。觸摸屏COM口與從機MSP430的USART串行口通訊設置必須一致，設置波特率為9600、無校驗位、8字符、2個停止位。

3 從站MSP430的軟件設計

3.1 MSP430的串口屬性設置

3.2 MSP430接收Modbus-RTU報文

從站MSP430為實現報文接收功能，TA、串口中斷必須相互配合。串口負責接收字符，TA負責判別接收相鄰字符的時間間隔；如果時間間隔小于1.5字符空閑間隔，則接收的字符有效；如果時間間隔為1.5-3.5字符空閑間隔，則發送出錯；如果超時3.5字符空閑間隔沒有接收到字符，則一個完整報文發送結束。MSP430接收報文的流程圖如圖2所示。

圖2 MSP430接收報文流程圖Fig.2 Flow chart of receiving message by MSP430

3.3 目標MSP430響應Modbus-RTU報文

Modbus-RTU 協議的設備類型為 0x、1x、3x、4x、5x、6x，這些設備類型及地址構成了不同的功能碼、信息域、驗證碼，產生不同的指令報文發送給從機。MSP430通過地址對比，判斷自己是否為目標從機，站號匹配的目標MSP430響應Modbus-RTU報文。

MSP430作為Modbus-RTU Slave，本身并不存在響應Master的程序，需要根據不同的指令報文，對報文的功能碼，信息域的起始地址、數據總位數分析后，反饋相應CPU寄存器、Flash存儲器的值至觸摸屏。目標MSP430響應報文流程如圖3所示。

觸摸屏接收目標MSP430發送的反饋報文，對報文進行分析，如果接收到Modbus-RTU發送出錯、CRC校驗出錯等報錯報文，則作出相應的錯誤處理并重新發送請求報文；如果接收成功響應反饋報文，則接收來自MSP430的有效信息，發送下一請求報文。

3.4 MSP430的CPU浮點數傳輸

圖3 MSP430響應報文流程圖Fig.3 Flow chart of response message of MSP430

Modbus-RTU協議下的寄存器都是16-bit型的，報文信息域以字節為單位，傳輸時先發送16-bit的高字節，再發送16-bit的低字節。浮點數占用4個字節的存儲空間，使用兩個連續地址的寄存器保存、顯示[5]。在傳輸浮點數時，先將浮點型轉換為32-bit型，保存在臨時數組floattemp[4]中；如果地址類型是 3x、4x、6x，則按照低 16-bit的高字節、低 16-bit的低字節、高16-bit的高字節、高16-bit的低字節的順序發送；如果地址類型是5x，則按照高16-bit的高字節、高16-bit的低字節、低16-bit的高字節、低16-bit的低字節的順序發送。

3.5 MSP430的批量Flash數據傳輸

為了測得不同轉速下扭矩傳感器的扭矩值，MSP430采用多次采樣求平均值的數字濾波技術。在同一轉速下，旋轉葉片在步進電機的帶動下6檔速按照低速—高速—低速的順序轉動，每個檔速等間隔采樣10次，完成1次全程檢測，扭矩值至少占用220個字節的存儲空間。由于施工現場環境惡劣，一般將檢測值保存在Flash內，采集完之后再將這些扭矩值批量傳送到觸摸屏。

MSP430的Flash信息存儲器為每段128字節，分別為信息存儲器A、B。在測試系統中，通過TB等時間間隔觸發ADC12單通道單次轉換，將相應的ADC12MEM扭矩值的高、低字節分別保存在Flash A、B信息存儲器中。當用戶查詢某種配合比混凝土不同轉速下的扭矩值時，觸摸屏向對應目標從機發送查詢3x1—3x220的指令報文，目標從機讀取Flash A、B的值，轉換得到對應的扭矩值，然后再發送給觸摸屏，具體程序如下：

4 系統的測試實驗

4.1 MSP430的Flash數據傳輸實驗

為了預見新拌混凝土測試儀的工作穩定性，需要查看混凝土同一轉速下的10個扭矩檢測值的波動性，如果10個檢測值波動不大，則說明檢測到的扭矩值是可靠的，否則無效。同一配合比新拌混凝土在不同轉速下的扭矩測定界面如圖4所示。

圖4 扭矩測定界面Fig.4 Interface of torque determination

測試系統經長時間連續運行后 ，測試數據未見劇烈波動，說明測試裝置時穩定的。

4.2 流變參數測定實驗

試驗采用2臺MSP430分別對兩種不同配合比的混凝土進行扭矩值采樣、求解平均扭矩值，分別計算得到不同轉速下的剪切速率、剪切應力，擬合得到各自的γ-τ曲線圖及流變參數 τ0、η。

試驗結果如圖5所示。

圖5 流變參數測定界面圖Fig.5 Interface of determination of rheological parameters

5 結束語

文中主要研究了Modbus-RTU通訊協議在新拌混凝土測試系統中的運用，著重介紹了多從站的設計，實現了觸摸屏在一定距離內對多個測試儀現場實時監控的功能。但測試實驗發現，隨著通訊距離、從站數目的大幅度增加，Modbus-RTU主從通訊的實時性、可靠性、穩定性略微下降。一主多從的實時控制技術廣泛應用于自動化檢測中，如何進一步提高觸摸屏與多MSP430遠距離通訊的性能指標是非常值得深入探討的。

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Design of Modbus-RTU multi-slave in the fresh concrete testing system

ZHU Lv-fen，LV Guo-fang
（School of energy and electric，Hohai University，Nanjing 211100，China）

In the development of fresh concrete testing system,to realize the stable serial-communication between the touchscreen Weinview MT8100i and several MSP430,the design of multi-slave based on Modbus-RTU protocol is used.After receiving datagram,multi slaves compare their addresses with the number of target slave-station.Then,through data unpacking,function identification,request response and data packing,the matching MSP430 sends feedback message and the touch-screen refreshes the interface.By the master-slave communication between the touch-screen and multi-SCM based on Modbus-RTU protocol,one touch-screen can realize functions of starting and stopping control,process monitoring,curve fitting and performance evaluation of several testing instruments.

Modbus-RTU;address matching;function identification;request response;feedback message

TN923

A

1674-6236（2014）13-0096-04

2013-10-14 稿件編號：201310078

朱鋁芬(1989—)，女，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向：自動化檢測系統。