摘要：基于Ｍｏｄｂｕｓ协议设计了一种玻璃管液位计模块设计，对这一模块中的ＲＳ485接口电路进行了介绍。分析了这一玻璃管液位计模块设计的通信方式，对内部程序进行了介绍，并进行了输入输出测试。将所设计的玻璃管液位计模块设计应用于十字滑台电气控制，取得了良好的效果。

    １  设计背景
    传统玻璃管液位计系统中，常用可编程序控制器控制步进驱动器或伺服驱动器，进而实现运动控制。但是，可编程序控制器较难实现复杂的运动轨迹控制。随着嵌入式技术日趋完善，各类ＡＲＭ处理器在玻璃管液位计中被广泛应用。笔者应用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ协议设计了一种玻璃管液位计模块设计［１－２］。这一模块具有数字量输入采集、数字量输出控制和高速脉冲输出功能，能够通过内部程序来控制步进驱动器或伺服驱动器，实现复杂的运动轨迹控制。

    ２  硬件设计
    所设计的玻璃管液位计模块设计结构如图１所示，采用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片作为控制核心，应用ＭＡＸ485芯片实现ＲＳ485通信［3］，应用ＥＬ357芯片实现输入信号和输出信号的隔离［］。这一玻璃管液位计模块设计可以接收１６位开关型输入信号，控制7路输出，能够实现4路高速脉冲控制。

    ２．１ＲＳ485接口电路
    所设计的玻璃管液位计模块设计有两路ＲＳ485通信接口。ＲＳ485接口电路采用ＭＡＸ485芯片，如图２所示。电路不发送数据时，ＴＸＤ１为高电平，三极管Ｑ１导通，ＲＥ为低电平使能，ＲＯ端接收数据，ＭＡＸ485芯片处于接收状态。电路发送数据时，ＴＸＤ１由高电平变为低电平，时间长短与通信速率有关，三极管Ｑ１截止，ＭＡＸ485芯片处于发送状态。

    ２．２输入输出口
    输入信号电路如图3所示。ＥＸ0为玻璃管液位计模块设计的开关量输入信号端。ＥＸ0输入信号经过电路处理后，产生输出信号Ｘ0。Ｘ0接ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片的引脚，为玻璃管液位计模块设计内部程序提供输入信号。采用ＥＬ357芯片完成外部设备输入信号与ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片接口信号之间的隔离，提高模块的抗干扰能力。

　   输出信号电路如图4所示。ＳｉｇｎａｌＹ0为ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片引脚所产生的输出信号。ＳｉｇｎａｌＹ0信号经过电路处理后，变为ＯｕｔＹ0信号。ＯｕｔＹ0信号连接输出驱动电路，产生实际的输出控制信号。输出端也采用ＥＬ357芯片进行信号隔离。

    ２．3  高速脉冲信号
    所设计的玻璃管液位计模块设计，其高速脉冲信号直接由ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片生成，通过接线端子与外部电路相连。

    3  通信方式
    这一玻璃管液位计模块设计基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的远程终端（ＲＴＵ）模式设计，按客户端模式进行工作。上位机包括触摸屏、工控机等，可以发送0Ｘ0１～0Ｘ04指令，使输入端口（Ｘ端口）、输出端口（Ｙ端口）的状态数据反馈至上位机。上位机也可以使用0Ｘ05、0Ｘ0６、0Ｘ0Ｆ和0Ｘ１0指令实现输出端口通断控制和模块内部寄存器数据设定功能。上位机与模块之间的数据通信采用串口通道接发数据帧来实现。每一个指令都有特定的符合Ｍｏｄｂｕｓ协议的数据帧格式，数据帧采用Ｈｅｘ编码。

    4  软件设计
    所设计的玻璃管液位计模块设计，其内部程序可以分为四部分———系统初始化、数据接收、数据分析与执行、数据反馈，其中系统初始化包括端口初始化和通信口初始化［5－7］。

　　内部程序结构如图5所示。
　　模块通电后，自动进入系统初始化程序，初始化ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ407芯片各引脚状态，读取芯片存储数据，恢复至前一次断电前状态。同时完成模块的通信参数设置，如将传输速率设置为１９２00ｂｉｔ／ｓ等，并开始连续监听通信口，等待上位机发送控制指令。当上位机发送控制指令数据帧后，模块读取数据帧。接收数据帧后，通过循环冗余校验码判断数据是否有效。如果无效，那么程序返回通信口监听状态。如果接收数据有效，那么对数据的地址进行判断。如果发送来的地址与模块设置的地址不相同，那么程序返回通信口监听状态。如果发送来的地址与模块设置的地址相同，那么模块程序对发送来的数据帧进行数据分析与提取，对比模块内部芯片内存中的指令库，按对比结果执行相应的功能。执行功能完成后，模块程序将执行结果数据通过通信口以数据帧的格式反馈至上位机。

    5  测试
    ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ是一种基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的服务端模拟器［8］，可以作为上位机测试和调试客户端，支持远程终端模式、美国信息交换标准码，以及传输控制协议和网际协议［９］。笔者将ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ作为上位机对所设计的玻璃管液位计模块设计进行测试。模块接线如图６所示，通过这一接线，可以实现两路输入信号采集和中间继电器控制。

    5．１  输入测试
　　二线制传感器和三线制传感器都处于工作状态时，模块的Ｘ0端口和Ｘ１端口有高电平输入。其余Ｘ２～Ｘ１5端口都处于低电平状态。此时，使用ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ的ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ界面输入数据帧0１0２000000１07９Ｃ６。其中，0１为模块地址，0２表示读取Ｘ端口状态指令，0000表示读取端口起始地址，即Ｘ0端口地址，00１0表示一次性读取１６位Ｘ端口状态，7９Ｃ６为循环冗余校验码［１0］。接收到以上数据帧，模块在执行0Ｘ0２指令后返回数据帧0１0２0２03Ｂ９48，其中，0１为模块地址，前一个0２表示Ｘ端口状态指令，后一个0２表示两个字节，03表示Ｘ0和Ｘ１端口有信号，Ｂ９48为循环冗余校验码。

    5．２  输出测试
    模块控制中间继电器ＫＡ１线圈通电时，使用ＭｏｄｂｕｓＰｏｌｌ的ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ界面输入数据帧0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ，Ｙ0端口输出高电平，其余Ｙ１～Ｙ６端口为低电平，模块返回数据帧0１050000ＦＦ008Ｃ3Ａ。返回的数据帧中，0１为模块地址。05表示执行0Ｘ05指令，即控制单个输出端口。0000表示控制端口为Ｙ0，如需要控制Ｙ１，则数据帧为000１，依次类推。ＦＦ00表示设置端口为有输出，如果需要设置端口为无输出，则数据帧为0000。8Ｃ3Ａ为循环冗余校验码。执行Ｙ0输出指令后，中间继电器ＫＡ１线圈得电，其触点状态发生改变。如果模块控制ＫＡ１线圈失电，则所发送的数据帧为0１0500000000ＣＤＣＡ。

    5．3  高速脉冲控制
    当需要有高速脉冲时，上位机使用0Ｘ0６或0Ｘ１0指令设置数据。发送和接收数据的过程与使用0Ｘ0２、0Ｘ05指令过程类似，此处不再详述。

    ６  应用案例
    应用所设计的玻璃管液位计模块设计进行十字滑台电气控制，电气控制原理如图7所示。将所设计的玻璃管液位计模块设计作为核心控制器件，采集十字滑台传感器信号、按钮信号，控制步进驱动器，进而完成对步进电机的控制。十字滑台Ｘ轴、Ｙ轴的前后端限位传感器信号与模块的Ｘ0、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ3输入端口相连，防止滑台机械行程超限。－Ｓ１启动按钮和－Ｓ２停止按钮与模块的Ｘ１６、Ｘ１7输入端口相连，为模块提供启动和停止信号。模块的Ｙ0输出端口与十字滑台Ｘ轴步进驱动器的ＥＮ＋端相连，控制轴步进驱动器工作。模块的Ｙ１输出端口与十字滑台Ｙ轴步进驱动器的ＥＮ＋端相连，控制Ｙ轴步进驱动器工作。模块的Ａ＿ＤＩＲ和Ａ＿ＰＵＬ高速脉冲输出端口向Ｘ轴步进驱动器提供控制信号，实现十字滑台Ｘ轴的运动控制。模块的Ｄ＿ＤＩＲ和Ｄ＿ＰＵＬ高速脉冲输出端口向Ｙ轴步进驱动器提供控制信号，实现十字滑台Ｙ轴的运动控制。模块具有两路ＲＳ48５通信总线，一路与触摸屏相连。通过触摸屏，可以设置步进驱动器的Ｘ轴、Ｙ轴行程，实时显示Ｘ轴和Ｙ轴前后端传感器状态、电机运行距离、运行次数等参数。通过触摸屏上的启动和停止按钮，能够控制十字滑台启动和停止。另一路ＲＳ48５通信总线可与其它设备相连，用于实现功能扩展。

　进行十字滑台电气控制时，点击触摸屏上的启动按钮或按下－Ｓ１按钮，玻璃管液位计模块设计根据触摸屏设定的轨迹来控制单个步进驱动器或协调控制两个步进驱动器实现十字滑台的复杂轨迹运行。点击触摸屏上的停止按钮或按下－Ｓ２按钮，玻璃管液位计模块设计通过内部程序使十字滑台停止运行。

    7  结束语
    笔者应用ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ4０7芯片，基于Ｍｏｄｂｕｓ协议设计了一种玻璃管液位计模块设计。ＡＲＭＳＴＭ3２Ｆ4０7芯片具有强大的逻辑运算能力，通过编写不同程序能快速实现出入与输出之间复杂的逻辑控制，适用于较为烦琐的控制场合。通过十字滑台电气控制应用案例分析，确认所设计的玻璃管液位计模块设计具有较高的实用价值。