文章以多功能電力儀表作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，運(yùn)用MODBUS協(xié)議，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)多功能電力儀表的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取，組成一對(duì)多的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。基于MODBUS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電量的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電量參數(shù)的遠(yuǎn)方抄錄與控制，系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了管理人員的工作效率。

采用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)控制或者數(shù)字-模擬信號(hào)控制的缺點(diǎn)在于其需要“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”控制，無法構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制大系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以突破瓶頸，它綜合了微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)手段，構(gòu)成全分散、全數(shù)字化、雙向多點(diǎn)互聯(lián)的多功能電力儀表通信控制系統(tǒng)。

1、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
如圖1所示，抄表系統(tǒng)由上位機(jī)，多功能電力儀表以及相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換器組成。多功能電力儀表的連接方式為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通訊介質(zhì)為RS485，采用的是Modbus RTU協(xié)議。上位機(jī)與多功能電力儀表采用一主多從的通信方式。通信由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)對(duì)主機(jī)發(fā)出信息中的地址碼進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，做出相應(yīng)的響應(yīng)。主機(jī)的通信接口方式有兩類，主要取決于主機(jī)的外設(shè)接口。第一類由USB發(fā)出，經(jīng)過USB/232模塊，轉(zhuǎn)換成RS-232電平，再由232/485模塊接入RS485網(wǎng)絡(luò)。第二類直接由主機(jī)的RS232端口發(fā)出，經(jīng)232/485模塊接入RS485網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)與多功能電力儀表之間采用半雙工工作方式，即在同一時(shí)刻只能處于接收信息狀態(tài)或者發(fā)送信息狀態(tài)，不能同時(shí)收發(fā)信息。



圖1   系統(tǒng)拓?fù)鋱D

多功能電力儀表采用國(guó)際最新電子技術(shù)，以專用DSP器件，高速微處理器為核心的數(shù)字式智能電參數(shù)測(cè)量?jī)x，是一款智能型電參數(shù)采集模塊，可測(cè)量三相三線制、三相四線制等系統(tǒng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率、電能等。其輸出為RS485數(shù)字信號(hào)：有電壓值、電流值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電能等參數(shù)。系統(tǒng)采用RS485總線。485總線采用數(shù)據(jù)差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。利用兩條線之間的壓差作為邏輯狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)。因此，其共模抑制抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸速率高。485總線上連接著多臺(tái)多功能電力儀表，通過向485總線上廣播出Modbus協(xié)議信息，對(duì)應(yīng)地從機(jī)做出反饋。在RS485總線上理論上可接256個(gè)（地址碼00-FF）多功能電力儀表。系統(tǒng)采用支持Modbus RTU協(xié)議的多功能電力儀表YR-GFE-2S4。同時(shí)該表還提供多種波特率選擇，可通過顯示屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取。多個(gè)多功能電力儀表之間使用地址碼進(jìn)行區(qū)分，保證地址不重復(fù)，不會(huì)發(fā)生沖突。多功能電力儀表通過RS485通信接口接到485總線上與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2、Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)
當(dāng)主機(jī)以RTU模式在Modbus總線上進(jìn)行通訊時(shí)，1個(gè)字節(jié)分成2個(gè)4位16進(jìn)制的字符，該模式的主要優(yōu)點(diǎn)是在相同波特率下其傳輸?shù)淖址拿芏雀哂贏SCII模式。

RTU模式下每個(gè)字節(jié)的格式



注意：如果沒有校驗(yàn)位的話，則用停止位補(bǔ)充，即兩位停止位。

RTU模式下的幀格式
①定義defbyte數(shù)組依次拼接地址碼，功能碼，寄存器開始地址，寄存器數(shù)量，如表1所示。

表1   數(shù)據(jù)請(qǐng)求包
 

②根據(jù)defbyte數(shù)組的內(nèi)容，送入CRC校驗(yàn)子函數(shù)，計(jì)算出CRC碼并返回。

③重新定義rebyte數(shù)組，將CRC碼拼接到數(shù)組尾部。CRC校驗(yàn)碼低位在前，高位在后。在RTU模式下，沒有開始與結(jié)束標(biāo)志位。取而代之的是t3.5:表示的是3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間。這是因?yàn)樵赗TU模式下，信息幀之間以需間隔至少t3.5，即若兩個(gè)字節(jié)之間間隔大于或等于t3.5，則自動(dòng)識(shí)別為兩個(gè)不同的信息幀。

如表2所示，在接到數(shù)據(jù)當(dāng)中，第4，5個(gè)字節(jié)分別代表電壓和電流量程，讀取后需先轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)據(jù)類型。第6，7字節(jié)代表電流變比為4位16進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制的策略是：高八位若不為0，則高八位乘以256，加上第八位的數(shù)值。若高八位為0，則只需計(jì)算第八位數(shù)值即可。

表2  數(shù)據(jù)回復(fù)包



3、UI界面設(shè)計(jì)
在進(jìn)行UI界面設(shè)計(jì)的時(shí)候，需將同一類的一些控件放到同一個(gè)模塊里面，這樣用戶在使用的時(shí)候就不會(huì)感到很凌亂。如圖2所示，在串口設(shè)置模塊當(dāng)中，有關(guān)于串口設(shè)置的端口號(hào)，波特率，校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位，停止位的設(shè)置。經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì)之后，用戶不至于會(huì)與電表的波特率設(shè)置相互混淆。在還沒有打開串口的時(shí)候，有可能用戶會(huì)觸發(fā)發(fā)送按鍵，這樣程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)。因此，在還沒有打開的時(shí)候，能激活相應(yīng)的按鍵。只有在串口打開的條件下，才能對(duì)發(fā)送等按鍵進(jìn)行激活。串口打開的時(shí)候，應(yīng)沒有辦法二次打開，串口打開按鍵應(yīng)該無法使用，串口關(guān)閉的按鍵激活，防止用戶進(jìn)行誤操作。



圖2   遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)UI界面

在設(shè)計(jì)UI界面的時(shí)候，須考慮到用戶的操作順序。用戶的操作順序：打開串口→寫入相應(yīng)參數(shù)→讀取多功能電力儀表讀數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)有這方面的考慮，讓用戶操作盡量舒適，滿足從上到下，從左到右的習(xí)慣。此外，界面增加一個(gè)信息提示欄，讓用戶知道自己的指令是否已經(jīng)發(fā)送出去，得到的數(shù)據(jù)是否校驗(yàn)成功等，增加人機(jī)互動(dòng)性。

基于Modbus的總線系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于其系統(tǒng)的錯(cuò)誤校驗(yàn)，數(shù)據(jù)交換速度以及可靠性都是傳統(tǒng)電力儀表所不能比擬的，這套系統(tǒng)克服了其他通信方式一些沒有辦法彌補(bǔ)的缺陷。網(wǎng)絡(luò)管理功能落后，對(duì)錯(cuò)誤的處理能力弱等缺陷。此外，因本系統(tǒng)嚴(yán)格按照Modbus協(xié)議的有關(guān)規(guī)定，所有支持Modbus控制協(xié)議的設(shè)備都可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的編程搭接到總線上，具有較強(qiáng)的通用性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了良好的UI界面，設(shè)計(jì)了眾多的按鍵功能，各個(gè)組合鍵的配合使用可以方便現(xiàn)場(chǎng)的操作和設(shè)置。