1 引言
稱重AD模塊已被廣泛使用在數字稱重傳感器制造、模擬秤的數字化改造、衡器儀表制造等領域, 除了基本的AD模數轉換功能外, 還具有去皮、清零、濾波、零點跟蹤等功能, 以及通信接口的設置。本文主要結合本公司設計生產的稱重AD模塊, 說明了對應的上位機軟件編制相關內容。
2 稱重AD模塊介紹
山東西泰克儀器有限公司研發的A/D模塊, 結構上包括高精度24位AD模數轉換芯片、高性能微控制器、直流電源接口、模擬稱重傳感器接口、RS485半雙工通信接口等, 能對各類稱重傳感器輸出的m V信號進行信號放大、A/D轉換及數字濾波處理, 除了無顯示外, 能夠完成稱重儀表的所有功能, 并與計算機、PLC或稱重儀表組成數字稱重系統[1]。以典型的AD-S321模塊為例, 其硬件連線圖如圖1所示。
可見, 電源方面采用直流9V供電。傳感器部分, 稱重AD模塊可與單只模擬稱重傳感器直接相連, 也可以將多只稱重傳感器在接線盒內并聯后再與AD模塊連接, 連接時AD模塊通過橋源正EX+和橋源負EX-給模擬稱重傳感器提供電源, 模擬稱重傳感器的電橋輸出為信號正SI+和信號SI-, 輸出到稱重AD模塊。以上是常見四線加屏蔽線傳感器的連接方式, 如果是六線制傳感器, 還需將反饋SEN+ (或FB+) 和SEN- (或FB-) 分別連接橋源EX+和EX-。AD芯片完成模數轉換功能, 微控制器完成控制、協議解析、稱重算法實現、參數保存等功能。
通信方面, AD-S321采用RS485半雙工通信方式, 使用數據線A、B與主機進行通信 (山東西泰克儀器有限公司還有其他模塊采用RS232或RS422等通信方式, 適合其他場合應用的需要) 。從圖中可見, 當使用RS485通信時, 模塊與設備一般有三種連線方案:
(1) 連接PLC:模塊與客戶PLC通過RS485相連, PLC讀取模塊數據并可通過觸摸屏等進行數據顯示和狀態指示。
(2) 連接PC機:由于上位機通常沒有RS485接口, 所以需要先經過RS485轉USB轉換器或RS485轉RS232轉換器, 然后在上位機上通過USB虛擬的串口或實際串口進行通信, 上位機上需編制相應軟件完成通信、顯示和控制等功能。
(3) 連接單片機:可供有單片機開發能力的客戶進行進一步開發或嵌入其系統。
前兩種方案為較常見的應用方案, 后文將闡述方案2中上位機軟件編制的有關內容。以上是單只AD-S321模塊的硬件連線圖, 多只模塊總線連線圖, 如圖2所示。
圖2 稱重AD模塊總線方式連線圖 下載原圖
可見, 多只稱重AD模塊屬于廣播信道總線類型, 每個模塊地址唯一。多個稱重AD模塊的A (RS485+) 、B (RS485-) 是分別連在一起的。注意, 如果RS485信號傳輸線過長或同時并聯了多只AD-S模塊, 可能會因驅動能力不足導致找不到模塊。此時可嘗試在模塊端的A與+5V直流電源間接一個1kΩ左右的上拉電阻R1, 在B與地之間接一個1kΩ左右的下拉電阻R2, 以提高帶載能力。如果是多只模塊并聯, 只需在距離上位機最遠 (傳輸線最長) 的那只模塊上接上、下拉電阻。若仍不行, 可在RS485傳輸線的另一端也接上下拉電阻R3、R4。
3 上位機軟件的編制
稱重模塊對應的上位機軟件需要完成的主要功能如下。
3.1 串口通信
串口通信在目前工控領域占有重要地位, 它通信簡單, 在通信數據量不大的稱重行業有著廣泛的應用。我們的模塊采用異步串行收發UART, 需要在軟件中設置的項目有:提供當前可用串口列表供用戶選擇, 波特率選擇 (一般9600bps~115200bps) , 校驗位選擇 (默認偶校驗) , 數據位選擇 (默認8位) , 停止位選擇 (默認1位) 。
3.2 自動地址掃描程序
稱重AD模塊地址范圍0~31 (Modbus時地址范圍1~31) , 一般我們并不知道正在使用的模塊地址是多少, 因此需要通過自動地址掃描程序來確定當前模塊的地址。由于采用廣播信道總線狀拓撲, 一個結點 (主機或模塊) 發送信息時, 該信息將通過總線傳到每一個結點上。其他結點 (模塊) 在接收到信息時先要分析該信息的目標地址與本結點地址是否相同, 若相同則接收該信息, 若不相同, 則忽略[2]。
地址掃描流程圖, 如圖3所示。注意, 在連到總線之前, 應確保所有連在同一總線上的模塊有不同的地址, 否則將引起地址沖突。開始掃描后, 主機先發送選擇某地址的指令, 然后發送詢問當前地址的指令, 之后如果能夠收到模塊應答, 則記錄該模塊地址, 沒有應答說明總線上沒有該地址的模塊。最后, 在沒有達到地址上限31的情況下, 地址值加1, 類似地進行下一個地址模塊的查詢。
圖3 稱重AD模塊地址掃描流程圖 下載原圖
3.3 通過指令按鈕方式進行參數讀寫
上位機軟件中將常用的讀寫指令以按鈕方式提供給用戶, 方便用戶操作。這些通過點擊按鈕直接操作的指令主要包括:去皮、皮重值、毛凈重切換、零載標定、加載標定、標定分度數寫入、清零、最大量程、分度值、開機置零范圍、手動清零范圍、零點跟蹤范圍、零點跟蹤速率等。下圖顯示的僅是與“重量數據”顯示有關的界面, 內容包括重量數據格式 (008) , 當前毛凈重狀態 (凈重) , 點擊radiobutton按鈕切換毛重凈重狀態, 可見此刻的凈重20988g與皮重526g, 目前重量數據偵測校驗已經開啟, 數據校驗正常 (綠色指示燈為正常, 如果異常為紅色指示燈, 如果未開啟數據校驗為黑色指示燈) , 另外還可進行清零和去皮等重量操作 (去皮時保存皮重值) , 小數點位數和顯示分度值這里是軟件控制的。其他讀寫參數的按鈕則采用列表方式, 顯得整齊美觀。重量相關的顯示和設置界面, 如圖4所示。
圖4 重量相關的顯示和設置界面 下載原圖
3.4 手動指令輸入
盡管常用指令可以通過相應按鈕直接操作, 但界面空間有限, 一些不常用的命令不可能都在軟件中顯示。這時我們可以采取手動輸入任意命令的方式進行相關操作, 當然也可以完全替代相應按鈕功能。
自由口的手動指令輸入界面較簡單, 這里以Modbus RTU為例, 相關界面如圖5所示。
可見, 界面主要包括讀或寫寄存器指令選擇, 參數類型選擇, 參數值輸入或讀取, 手動指令發送, 接收數據顯示, 定時發送指令設置等。其中, 模塊地址可以自動掃描出來。當采用手動發送指令方式時, 可直接在“HEX指令”窗口內輸入待發送HEX指令, 不需輸入CRC16校驗, 軟件會自動產生CRC校驗附在指令后面, 然后點擊“發送”即可通過串口自動發送出去, 同時發送區會顯示包含CRC的完整發送十六進制數據, 接收區會顯示接收到的數據。如這里HEX指令發送1F 03 0024 00 01, 實際發送數據為1F 03 00 24 00 01C7 BF (發送區第一行, 為詢問濾波強度指令) , 接收為1F 03 02 00 06 90 44 (接收區第一行, 表明當前濾波系數為6) 。另外, 這里也可以方便地直接點擊下拉框來選擇要發送的指令, 如發送和接收區的第三行即是讀取收斂常數的指令, 發送區會將指令自動地“翻譯”成對應的HEX發送數據并顯示, 接收到模塊返回值為100 (0×64) 。
4 軟件通信協議
山東西泰克儀器有限公司的稱重AD模塊從通信協議角度來講分三類, 第一類支持公司自由口通信協議, 第二類支持標準的Modbus RTU協議, 第三類同時支持自由口和Modbus RTU協議, 二者可用命令相互切換。
圖5 Modbus RTU協議的顯示界面 下載原圖
無論自定義的自由口協議還是通用的Modubs RTU協議, 都屬于軟件層, 與硬件網絡RS485、RS422等無關, 與串口幀結構也無關。不管采用何協議, 我們都可選擇相同的通訊接口形式, 如RS485, 也可選擇相同的幀結構, 如1個起始位0, 8位數據位, 1位奇偶校驗, 1個停止位1。
山東西泰克儀器有限公司自由口協議和Modbus RTU協議的不同點是:前者所需輸入的是ASCII字符 (對應的二進制數據) , 即文本方式的命令, 發送命令以分號表示結束, 返回參數一般也是ASCII字符形式, 只是某些格式的稱重數據有時會采用十六進制形式, 結束符為回車換行CRLF (0x0D和0x0A) 。
而Modbus RTU通信格式時, 所有數據都是以十六進制數據進行發送和接收的, 大都直接對寄存器進行操作。Modbus協議建立了主設備查詢的格式:設備 (或廣播) 地址、功能代碼、所有要發送的數據、錯誤檢測字段[3]。典型的RTU信息幀如下:
其中設備地址為模塊地址, 常用的功能碼有讀保持寄存器 (0×03) 、預置單個寄存器 (0×06) 、預置多個寄存器 (0×10) 等, 數據包括寄存器地址、個數、數值等。CRC校驗采用CRC16, 軟件可自動生成并附加。
5 結論
本文舉例采用的軟件與山東西泰克儀器有限公司稱重AD模塊配合使用, 既支持自由口協議, 又支持Modbus RTU協議, 同時適應普通模塊和高速模塊, 界面友好。經長期運行, 穩定可靠, 后續版本中, 還將增加實時曲線顯示、數據統計、多通道顯示、數據保存、導入導出等功能, 使該軟件更加完善。