楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

楊豐萍，鮑丙東，王 晉，史陸星

（華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

分析目前速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，利用工控機(jī)、V20變頻器、交流電機(jī)等設(shè)備，依照MODBUS協(xié)議搭建檢測(cè)系統(tǒng)變頻調(diào)速模塊，模擬地鐵車(chē)輛運(yùn)行工況；通過(guò)VC++技術(shù)、Microsoft Communication Control通信控件以及通信報(bào)文的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)交流電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)速，使得系統(tǒng)可在不同速度區(qū)段下檢測(cè)速度傳感器性能。經(jīng)實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、檢測(cè)精度高，滿(mǎn)足地鐵使用需求。

MODBUS協(xié)議；變頻器；VC++技術(shù)

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，地鐵建設(shè)在各省市如雨后春筍般涌現(xiàn)［1］。速度傳感器作為地鐵車(chē)輛上核心部件之一，對(duì)其性能的穩(wěn)定可靠進(jìn)行檢測(cè)于地鐵安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)地鐵公司大多采用不同類(lèi)型的速度傳感器，與其相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)功能單一、數(shù)據(jù)處理性能差，在穩(wěn)定性、抗干擾性、檢出率等方面存在明顯不足；因此，開(kāi)發(fā)多功能速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。通過(guò)目前傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的劣勢(shì)分析，針對(duì)MODBUS協(xié)議尤其適用于小型單機(jī)控制系統(tǒng)［2］的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MODBUS通信協(xié)議，使得工控機(jī)可以通過(guò)變頻器靈活地控制交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)速度傳感器多參數(shù)性能檢測(cè)，保證性能優(yōu)良的傳感器被運(yùn)用在地鐵車(chē)輛上。

1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控機(jī)、交流電機(jī)、變頻器和光電式編碼器等設(shè)備組成。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是采集編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)作為模擬地鐵車(chē)輛運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，采集速度傳感器檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為運(yùn)行實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速；工控機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的核心操作端，使用PCI串口總線(xiàn)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。檢測(cè)系統(tǒng)硬件框架［3］如圖1所示。

圖1 硬件框架分布圖Fig.1 Distribution diagram of hardware architecture

2 檢測(cè)系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

在單機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，可進(jìn)行MODBUS通信的設(shè)備都具有RS-232或RS-485接口，它們一般采用光纖或者雙絞線(xiàn)來(lái)進(jìn)行MODBUS報(bào)文的傳輸［4］。在速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中，工控機(jī)采用的接口是RS-232，而西門(mén)子V20變頻器的接口為RS-485，這就需要采用RS-232轉(zhuǎn)RS-485的串口轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變頻器互聯(lián)通信。通過(guò)工控機(jī)、V20變頻器、串口轉(zhuǎn)換器、交流電機(jī)等設(shè)備，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速模塊的搭建。

2.1 系統(tǒng)通信流程設(shè)計(jì)

作為一種通用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，MODBUS協(xié)議具有兩種通信模式:ASCII模式和RTU模式［5］。在實(shí)際使用時(shí)，控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量少，且需要傳輸文本，常選擇ASCII模式，并采用LRC冗余校驗(yàn)；若通信數(shù)據(jù)量多，且都為二進(jìn)制數(shù)據(jù)類(lèi)型時(shí)，多選擇RTU模式，采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)［6］。在同一傳輸速度下，RTU模式比ASCII模式快1倍；因此，基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)后，確定主設(shè)備只有工控機(jī)，從設(shè)備就是V20變頻器，變頻器與工控機(jī)的通信模式選用RTU模式，并使用CRC-16冗余校驗(yàn)方式，保障在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)報(bào)文的正確性，其通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 通信程序流程圖Fig.2 The communication program flow chart

2.2 MODBUS報(bào)文設(shè)計(jì)

對(duì)于速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分，采用Visual C++編程技術(shù)和串口通信控件Microsoft Communication Control（MSComm）實(shí)現(xiàn)報(bào)文的編寫(xiě)與發(fā)送，其中報(bào)文包括:設(shè)備地址、功能碼、待發(fā)送數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼。結(jié)合MODBUS-RTU通信結(jié)構(gòu)，將設(shè)備通信地址設(shè)置為01H～FEH，調(diào)試變頻器地址設(shè)為01H；功能碼分為4種:03H-讀寄存器數(shù)據(jù)、06H-向寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)、08H-回路偵測(cè)、10H-向寄存器寫(xiě)入多組數(shù)據(jù)。通過(guò)MODBUS報(bào)文常用命令及功能［7］、西門(mén)子V20變頻器參數(shù)自址定義的分析，以及系統(tǒng)所需要的通信執(zhí)行命令，編寫(xiě)出速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的通信報(bào)文，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及變速調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)將變頻器地址設(shè)置為02 H，上位機(jī)通信波特率為9 600，數(shù)據(jù)位8位、停止位1位，校驗(yàn)方式為Even偶校驗(yàn)［8］。檢測(cè)系統(tǒng)通信報(bào)文設(shè)計(jì)如下:

1）將數(shù)據(jù)“04 7E”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，讓變頻器準(zhǔn)備接收?qǐng)?bào)文。其中02表示V20變頻器地址，06表示寫(xiě)入命令，00 63表示寄存器編號(hào)，04 7E表示要寫(xiě)入的值，F(xiàn)B 07表示偶校驗(yàn)碼。發(fā)送報(bào)文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2）將設(shè)定的頻率發(fā)送至地址為64 H的寄存器，該值介于2 800～4 000 H之間，4 000 H對(duì)應(yīng)的額定頻率為50 Hz。發(fā)送報(bào)文:“02 06 00 64 30 00 DC 26”。

3）將數(shù)據(jù)“04 7F”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)?！?C 7F”表示反轉(zhuǎn)。發(fā)送報(bào)文:“02 06 00 63 04 7F 3A C7”或者“02 06 00 63 0C 7F 3D 07”。

4）重復(fù)步驟2），即可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

5）再次將數(shù)據(jù)“04 7E”發(fā)送至地址為63 H的寄存器，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)送報(bào)文:“02 06 00 63 04 7E FB 07”。

2.3 系統(tǒng)通信代碼實(shí)現(xiàn)

在對(duì)MODBUS協(xié)議中通信報(bào)文的設(shè)計(jì)之后，使用VC++技術(shù)與MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件編程。首先，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)MSComm通信控件的初始化設(shè)置，部分代碼實(shí)現(xiàn)如下:

3 軟件編程與仿真試驗(yàn)

速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的核心功能是在系統(tǒng)硬件搭建的基礎(chǔ)上，用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用Microsoft Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的 Visual C++語(yǔ)言工具，配合ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的多功能多參數(shù)性能分析［9］。通過(guò)開(kāi)發(fā)分項(xiàng)功能測(cè)試模塊使得在同一臺(tái)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)不同類(lèi)型的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。如圖3和圖4是速度傳感器檢測(cè)界面和波形顯示界面。以TQG19速度傳感器為例，結(jié)合傳感器的技術(shù)規(guī)格，從信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換的速度值、曲線(xiàn)占空比和相位差3個(gè)性能參數(shù)來(lái)綜合性評(píng)價(jià)速度傳感器的好壞。

在圖3檢測(cè)界面中，其窗口界面具有速度設(shè)置、車(chē)輪直徑設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)速度顯示、實(shí)測(cè)速度顯示、報(bào)表顯示和通道選擇等功能。在圖中的9次測(cè)量中，最大測(cè)量速度為120 km·h-1，最大絕對(duì)誤差為0.6 km·h-1，則引用誤差表示為0.5%，使用引用誤差表示該檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為0.5，得出該速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的精度較高，滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件界面Fig.3 Software interface of detection system

圖4 波形數(shù)據(jù)測(cè)試界面Fig.4 Waveform data test interface

在圖4波形測(cè)試界面中，對(duì)TQG19速度傳感器進(jìn)行速度為30，50 km·h-1的測(cè)試，其中占空比分別為52.9%，51.9%，相位差分別為75.4，72.2，而霍爾式速度傳感器的合格脈沖占空比為 （50±20）%，相位差為（90±30）°，結(jié)合該種型號(hào)傳感器的技術(shù)規(guī)格，從信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換的速度值、占空比和相位差3個(gè)性能參數(shù)來(lái)綜合性評(píng)價(jià)，被檢測(cè)的TQG19速度傳感器性能合格；同時(shí)，從波形曲線(xiàn)的穩(wěn)定程度來(lái)看，基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地抑制在檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的隨機(jī)干擾信號(hào)，達(dá)到穩(wěn)定性高、抗干擾性能好的使用要求。

4 結(jié)論

基于MODBUS協(xié)議的速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，通信信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，電機(jī)調(diào)速范圍大，有效地提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度；同時(shí)在軟件方面，設(shè)計(jì)不同的檢測(cè)功能界面，增加功能模塊，補(bǔ)充了檢測(cè)系統(tǒng)功能的單一性缺陷，實(shí)現(xiàn)了不同類(lèi)型速度傳感器的多參數(shù)性能檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。經(jīng)長(zhǎng)沙地鐵實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確度可達(dá)0.5；同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)還有效抑制了隨機(jī)干擾信號(hào)和降低了通信故障率，較高的系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，使其具有良好的應(yīng)用前景。

［1］張曉莉，林茂德.論城市軌道交通建設(shè)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的拉動(dòng)作用［J］.城市軌道交通研究，2009（1）:1-6.

［2］文方，歐陽(yáng)嵩.基于Modbus總線(xiàn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（6）:54-56.

［3］楊豐萍，袁蘆北，鮑丙東，等.新型地鐵速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015（6）:73-75.

［4］林凱.基于ARM11的多通道數(shù)據(jù)采集記錄儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2013.

［5］田志勇，戴一平.基于MODBUS總線(xiàn)的變頻驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010（4）:79-81.

［6］袁蘆北.城軌車(chē)輛速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［D］.南昌:華東交通大學(xué)，2015.

［7］朱小襄.ModBus通信協(xié)議及編程［J］.電子工程師，2005（7）:42-44+55.

［8］劉其亮.基于PLC窯爐模糊控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.濟(jì)南:山東理工大學(xué)，2010.

［9］楊豐萍，黃兵斌，袁蘆北，等.基于城軌車(chē)輛制動(dòng)控制測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（4）:38-43.

Research and Development of Speed Sensor Test System Based on MODBUS Protocol

Yang Fengping，Bao Bingdong，Wang Jin，Shi Luxing
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

After the analysis of current status for the speed sensor detection system and using industrial control computer，V20 frequency converter，AC motor and other equipment，the frequency conversion speed regulation module of test system is established.This module can simulate the running conditions of metro vehicles.Through using VC++technology，Microsoft Communication Control and preparation of communication messages，the system can make industrial PC achieve the real-time regulation of AC motor speed.The performance of speed sensor can be detected at different speeds.The actual application shows that this system is stable with low failure rate and high detection accuracy，which can meet the actual demand of metro vehicles.

MODBUS protocol；variable-frequency drive；VC++programming

TP206+.1

A

1005-0523（2016）05-0076-05

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－01－21

江西省2014年研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（YC2014—S263）

楊豐萍（1967—），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤㈦娏恳皞鲃?dòng)控制等。

鮑丙東（1989—），男，學(xué)術(shù)型碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)及控制。