新拌混凝土测试系统的Modbus-RTU多从站设计

朱铝芬，吕国芳

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

新拌混凝土测试系统的Modbus-RTU多从站设计

朱铝芬，吕国芳

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

在新拌混凝土流变性测试系统的开发中，为了实现触摸屏Weinview MT8100i与多台MSP430的串行稳定通讯，采用了基于Modbus-RTU通讯协议的多从站设计。多从站接收报文、地址对比后，由站号匹配的MSP430解包辨识、响应请求、打包发送反馈报文，触摸屏刷新界面。通过触摸屏与多单片机的主从Modbus-RTU通讯，一个触摸屏能对多个测试仪进行启停控制、过程监控、图形拟合、性能评估。

Modbus-RTU；地址匹配；功能辨识；响应请求；反馈报文

先浇筑后做标准抗压强度试验的混凝土质量检测方法是没有预知性的[4]，为了在浇筑前预知混凝土的流变性，需要在现场对大批量新拌混凝土的流动性、粘滞性进行实时检测。在Modbus-RTU协议下，虚拟PLC设备MSP430与触摸屏成功通讯，实现低成本化、可视化、自动化检测。为加快检测效率，需要多MSP430同时检测不同配合比的混凝土，经比较选择出最佳配合比。一定程度上，触摸屏与多MSP430通讯的稳定性决定了测试系统的可靠性，因此Modbus-RTU多从站的设计是非常重要的。

1 测试系统的数学模型及总体设计

1.1 测试系统的流变性模型

公式(1)是“两点法”测试混凝土流变性的数学模型：

式中：D为旋转叶片的旋转直径，h为旋转叶片长度，M为旋转扭矩，n为转速，R为料浆盒高度，r为旋转叶片半径，τ为剪切应力，γ为剪切速率，τ0为屈服应力，η为粘度系数。

MSP430控制电机带动旋转叶片在新拌混凝土中转动，由扭矩传感器测出旋转叶片在转速n下的扭矩M，由M转化得剪切应力τ，由n转换得剪切速率γ，通过最小二乘法拟合出不同配合比下混凝土的γ-τ曲线图，确定流变参数τ0、η。

1.2 测试系统的总体设计

测试系统结构框图如图1所示，触摸屏对多个MSP430的启停、转速、转动时间等参数进行设置；启动后，独立的多MSP430同时对不同配合比的新拌混凝土进行采样、低高低转速搅拌测扭矩；从站MSP430将各自检测到的扭矩值、温度及分析得到的屈服应力、粘滞系数反馈给触摸屏；触摸屏刷新流变参数测定界面。

测定新拌混凝土流变参数的关键就在于触摸屏与多MSP430的通讯。使用RS-485总线技术，将触摸屏设置为Modbus-Server，将多个MSP430设置为不同站号的Modbus-Client，透过Modbus-RTU协议，实现主从机关联信息的同步更新。

图1 测试系统结构图Fig.1 Structure diagram of the testing system

2 触摸屏与多MSP430的通讯

2.1 触摸屏与多MSP430的通讯原理

Modbus-RTU多从站通讯的实质是主从模式[2]，先由主机发出请求报文，多从站通过站号识别自己是否为目标从站，如果站号与自己的独立地址相匹配则响应请求报文，否则不做响应，主机接收到目标从站的反馈报文后解包提取信息域、更新信息，然后主机再发送下一个请求报文。

表1为Modbus-RTU报文结构，开始、结束至少要有3.5个字符的空闲间隔，整个报文连续且传输的两个连续字节时间间隔必须小于1.5个字符[1]。

表1 Modbus-RTU报文结构Tab.1 Structure of Modbus-RTU message

2.2 触摸屏与多MSP430的通讯设置

为正常通讯，需做如下设置：在MTP程序的设备列表中增加多个Modbus-RTU类型的PLC设备，设备接口为RS-485，站号对应为目标MSP430的站号。触摸屏COM口与从机MSP430的USART串行口通讯设置必须一致，设置波特率为9600、无校验位、8字符、2个停止位。

3 从站MSP430的软件设计

3.1 MSP430的串口属性设置

3.2 MSP430接收Modbus-RTU报文

从站MSP430为实现报文接收功能，TA、串口中断必须相互配合。串口负责接收字符，TA负责判别接收相邻字符的时间间隔；如果时间间隔小于1.5字符空闲间隔，则接收的字符有效；如果时间间隔为1.5-3.5字符空闲间隔，则发送出错；如果超时3.5字符空闲间隔没有接收到字符，则一个完整报文发送结束。MSP430接收报文的流程图如图2所示。

图2 MSP430接收报文流程图Fig.2 Flow chart of receiving message by MSP430

3.3 目标MSP430响应Modbus-RTU报文

Modbus-RTU 协议的设备类型为 0x、1x、3x、4x、5x、6x，这些设备类型及地址构成了不同的功能码、信息域、验证码，产生不同的指令报文发送给从机。MSP430通过地址对比，判断自己是否为目标从机，站号匹配的目标MSP430响应Modbus-RTU报文。

MSP430作为Modbus-RTU Slave，本身并不存在响应Master的程序，需要根据不同的指令报文，对报文的功能码，信息域的起始地址、数据总位数分析后，反馈相应CPU寄存器、Flash存储器的值至触摸屏。目标MSP430响应报文流程如图3所示。

触摸屏接收目标MSP430发送的反馈报文，对报文进行分析，如果接收到Modbus-RTU发送出错、CRC校验出错等报错报文，则作出相应的错误处理并重新发送请求报文；如果接收成功响应反馈报文，则接收来自MSP430的有效信息，发送下一请求报文。

3.4 MSP430的CPU浮点数传输

图3 MSP430响应报文流程图Fig.3 Flow chart of response message of MSP430

Modbus-RTU协议下的寄存器都是16-bit型的，报文信息域以字节为单位，传输时先发送16-bit的高字节，再发送16-bit的低字节。浮点数占用4个字节的存储空间，使用两个连续地址的寄存器保存、显示[5]。在传输浮点数时，先将浮点型转换为32-bit型，保存在临时数组floattemp[4]中；如果地址类型是 3x、4x、6x，则按照低 16-bit的高字节、低 16-bit的低字节、高16-bit的高字节、高16-bit的低字节的顺序发送；如果地址类型是5x，则按照高16-bit的高字节、高16-bit的低字节、低16-bit的高字节、低16-bit的低字节的顺序发送。

3.5 MSP430的批量Flash数据传输

为了测得不同转速下扭矩传感器的扭矩值，MSP430采用多次采样求平均值的数字滤波技术。在同一转速下，旋转叶片在步进电机的带动下6档速按照低速—高速—低速的顺序转动，每个档速等间隔采样10次，完成1次全程检测，扭矩值至少占用220个字节的存储空间。由于施工现场环境恶劣，一般将检测值保存在Flash内，采集完之后再将这些扭矩值批量传送到触摸屏。

MSP430的Flash信息存储器为每段128字节，分别为信息存储器A、B。在测试系统中，通过TB等时间间隔触发ADC12单通道单次转换，将相应的ADC12MEM扭矩值的高、低字节分别保存在Flash A、B信息存储器中。当用户查询某种配合比混凝土不同转速下的扭矩值时，触摸屏向对应目标从机发送查询3x1—3x220的指令报文，目标从机读取Flash A、B的值，转换得到对应的扭矩值，然后再发送给触摸屏，具体程序如下：

4 系统的测试实验

4.1 MSP430的Flash数据传输实验

为了预见新拌混凝土测试仪的工作稳定性，需要查看混凝土同一转速下的10个扭矩检测值的波动性，如果10个检测值波动不大，则说明检测到的扭矩值是可靠的，否则无效。同一配合比新拌混凝土在不同转速下的扭矩测定界面如图4所示。

图4 扭矩测定界面Fig.4 Interface of torque determination

测试系统经长时间连续运行后 ，测试数据未见剧烈波动，说明测试装置时稳定的。

4.2 流变参数测定实验

试验采用2台MSP430分别对两种不同配合比的混凝土进行扭矩值采样、求解平均扭矩值，分别计算得到不同转速下的剪切速率、剪切应力，拟合得到各自的γ-τ曲线图及流变参数 τ0、η。

试验结果如图5所示。

图5 流变参数测定界面图Fig.5 Interface of determination of rheological parameters

5 结束语

文中主要研究了Modbus-RTU通讯协议在新拌混凝土测试系统中的运用，着重介绍了多从站的设计，实现了触摸屏在一定距离内对多个测试仪现场实时监控的功能。但测试实验发现，随着通讯距离、从站数目的大幅度增加，Modbus-RTU主从通讯的实时性、可靠性、稳定性略微下降。一主多从的实时控制技术广泛应用于自动化检测中，如何进一步提高触摸屏与多MSP430远距离通讯的性能指标是非常值得深入探讨的。

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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 稿件编号：201310078

朱铝芬(1989—)，女，江苏泰州人，硕士研究生。研究方向：自动化检测系统。