馬昱超 劉慧琰 劉鵬飛 侯 娟

（1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.中國聯合網絡通信集團有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450047）

0 引言

高低溫試驗箱是通過模擬高低溫交變環(huán)境來檢測電子產品等的零部件及材料的可靠性，從而被廣泛應用于材料、電子、通信、航天等領域，是改進產品設計、提高產品質量及可靠性的基礎檢驗手段之一，也是科學研究試驗檢驗過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)［1-2］。在實際工作中，高低溫試驗過程中的循環(huán)時間較長，且整個試驗環(huán)境惡劣，常伴有噪聲、震動等。此外，實驗室內通常會有數十臺高低溫試驗箱同時進行試驗，交叉管理過程復雜，需要更多人員負責監(jiān)控，否則無法及時監(jiān)測到所有溫箱的試驗數據。所以，設計出一套高低溫試驗箱集中監(jiān)控系統(tǒng)，來實現對實驗室溫箱實時溫濕度數據的監(jiān)控、報警、數據保存及查詢是很有必要的。

王曉英等［1］基于CAN 總線通信來控制高低溫試驗箱，并將采集到的溫度數據上傳工控機，從而實現對溫箱的監(jiān)控。劉西強等［2］采用WIFI無線通信技術，利用RS-485 接口總線來聯網控制高低溫試驗箱，從而實現對溫箱的控制和溫濕度監(jiān)控。本研究參考《環(huán)境試驗設備溫度、濕度參數校準規(guī)范》（JJF 1101—2019）中溫度濕度測量標準，對高低溫試驗箱等環(huán)境試驗設備進行校準。在溫箱試驗中，將溫濕度傳感器放在待測產品上的合適位置處，建立終端主機與溫濕度記錄儀間的通信，實時采集溫濕度數據，實現對實驗室高低溫試驗箱工作中溫濕度數據的統(tǒng)一監(jiān)控管理。該方法不用對各種類型的溫箱分別進行控制，而是采用統(tǒng)一控制溫濕度記錄儀設備，即可實現對環(huán)境試驗中多個溫箱溫濕度的集中監(jiān)控管理，并有效避免溫箱因時間緩慢變化而導致控制器難以達到令人滿意的控制質量等問題，后期方便擴展，可移植性好。

根據上述設計思路，本研究設計出一種基于LabVIEW 和Modbus∕TCP 通信協議的溫濕度數據采集系統(tǒng)［3-4］。該系統(tǒng)基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，利用其強大的圖形用戶界面（GUI）、高效的開發(fā)速度，充分利用Modbus∕TCP 通信協議高可靠性、低成本、允許多臺儀器與上位機聯網的優(yōu)勢，可同時對七臺溫濕度記錄儀進行實時數據采集、存儲記錄。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單、界面友好，為實驗室多個溫箱的實時溫濕度數據采集監(jiān)控和遠程監(jiān)控提供一種行之有效的解決方案［5-6］。

1 Modbus∕TCP核心通信模塊

1.1 Modbus∕TCP

Modbus 通信協議在工業(yè)自動化領域中的應用很廣泛。隨著通信技術的發(fā)展，尤其是物聯網及“互聯網+”等概念的興起，Modbus 通信技術也由串行總線發(fā)展到Modbus∕TCP 新模式［7］。Modbus 通信協議標準開放，支持多種電氣接口，如RS232、RS485、TCP∕IP 等，其消息幀格式簡單緊湊，便于開發(fā)和集成。Modbus ∕TCP 是運行在TCP ∕IP 網絡上的Modbus 報文傳輸服務，其傳輸過程采用的是TCP∕IP 以太網參考模型的5 層，通過網絡來傳輸Modbus 協議報文，且國際互聯網組織規(guī)定并為其賦予TCP∕IP 協議棧上的502 端口，專門用來訪問Modbus 設備，這樣有利于保證通信的安全、實時、可靠。

1.2 通信協議

Modbus 協議是一個主∕從或客戶端∕服務器架構協議，其提供的統(tǒng)一功能碼用于數據傳輸服務。該協議定義了protocol data unit（PDU）模型，即“功能碼+數據”。為了適應多種傳輸模式，在PDU 基礎上增加了地址域和差錯校驗，形成Application Data Unit（ADU）模型，如圖1 所示。Modbus∕TCP 協議與Modbus協議的差別在于，Modbus∕TCP協議沒有校驗域，這是因為TCP ∕IP 協議和其鏈路層保證了傳輸數據的完整性和正確性［8］。Modbus∕TCP數據幀的應用數據單元格式如圖2所示，主要包括三個部分，即MBAP報文頭、功能碼、數據域。MBAP又稱Modbus協議報文頭，分為四個域，共七個字節(jié)，對Modbus參數及功能進行解釋。

圖1 通用Modbus幀結構

圖2 Modbus∕TCP幀結構

1.3 通信模式

Modbus∕TCP 采用客戶端∕服務器的模式來交換實時信息。通常存在四種報文類型，即請求、確認、指示、響應?？蛻舳藙?chuàng)建Modbus 應用數據單元，形成查詢報文，在網絡上向服務器端發(fā)出請求，服務器在接收到請求報文后，根據功能碼發(fā)送相應的響應信息，客戶端要確認接收到響應信息。本研究設計的系統(tǒng)終端主機向溫濕度采集設備發(fā)出請求，接收溫濕度數據。

2 系統(tǒng)硬件組成

溫濕度采集系統(tǒng)硬件部分由上位機（終端主機）、下位機（七套溫濕度記錄儀、溫濕度傳感器）、路由器等構成，如圖3 所示。其中，溫濕度記錄儀由上海禮鑫測控技術有限公司生產制造，傳感器型號為HTC-XB32。

圖3 溫濕度采集系統(tǒng)實物

溫濕度記錄儀與上位機通信的標準接口有三種，分別為RS-232、RS-485 和EtherNet。根據實際情況來選擇通信接口，適合組網的有RS-485和EtherNet，由于RS-485 的傳輸方式為半雙工，EtherNet的傳輸方式為全雙工，且RS-485 接口對應的Modbus 協議要對數據進行校驗，EtherNet 對應的Modbus∕TCP協議一般不會對數據進行校驗，即EtherNet組網更加簡單方便，所以本研究設計的系統(tǒng)選用網口通信。

下位機通過溫濕度傳感器來采集溫箱的溫濕度數據，由于每臺溫濕度記錄儀最多有8 通道信號，可采集4 路溫濕度數據。根據環(huán)境實驗室的溫箱數量，系統(tǒng)上位機需要與七臺記錄儀組網連接，并與記錄儀進行交互通信，統(tǒng)一采集溫濕度數據，最多可監(jiān)控28路溫濕度數據。

3 系統(tǒng)數據采集

3.1 數據報文分析

在本研究設計的系統(tǒng)中，上位機通過Modbus∕TCP 通信來獲取下位機溫濕度采集設備的溫度和濕度數據。使用的通信模塊功能碼包括0x03（讀取保持寄存器命令）、0x10（寫入寄存器命令）和0x04（讀取輸入寄存器命令）［9］。以下詳細介紹0x04 功能碼。

查看溫濕度記錄儀通信指令說明，0x04是讀取對應輸入寄存器地址的命令，用網絡調試助手輸入Modbus，讀取輸入寄存器地址指令（00 00 00 00 00 06 01 04 00 00 00 02），代表第一通道的數據讀取指令。在上述Modbus TCP 消息幀中，0x06 代表后續(xù)還有6個字節(jié)，0x01單元標識符為1，0x04功能碼為4，即讀取輸入寄存器的值。0x00 0x00代表Modbus的起始地址為0，0x00 0x02 代表讀取寄存器個數為2。響應報文為00 00 00 00 00 07 01 04 04 C1 D8 41 B2。其中，0x07 代表后續(xù)還有7 個字節(jié)，0x01 同查詢報文，單元標識符為1，0x04 同查詢報文，功能碼為4，0x04 表示返回數據字節(jié)數，C1 D8 41 B2 是寄存器的值。由于采集設備存儲字節(jié)的順序默認為2-1、4-3，屬大端模式，所以高位為41 B2，低位為C1 D8，解算浮點數為22.35。

3.2 LabVIEW 采集模塊

LabVIEW 是一種圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，廣泛應用于科研、測試和工業(yè)自動化等領域，是一款便于數據采集和儀器控制的軟件開發(fā)平臺［10］。該平臺提供了大量內置硬件驅動程序、控件、函數庫和通信模塊供人使用。通過高效利用現有通信模塊，開發(fā)人員能順利進行編程設計，從而快速完成所需功能的模塊化程序開發(fā)。LabVIEW 平臺中的Modbus∕TCP 模塊中Modbus-MB-Ethernet-Master Query 子VI 函數如圖4 所示。函數輸入端包括Modbus 通信幀命令簇、協議報頭、TCP 連接引用句柄、超時、錯誤輸入等，輸出端包括返回寄存器的數值、TCP連接引用句柄、錯誤輸出等。

圖4 Modbus-MB-以太網-主查詢

在本研究設計的系統(tǒng)中，采集數據模塊主要用于讀取所需寄存器的返回數值。在Modbus Command 簇控件中，功能代碼選擇4（Read Input Registers）。配置好讀取起始地址參數后，就可表示出Modbus對應的消息幀，通過有效通信來采集數據。

3.3 軟件數據采集子程序

采集系統(tǒng)的數據采集子程序設計如圖5 所示。利用Labview TCP 通信模塊與Modbus 庫中的Modbus-MB-Ethernet-Master Query 函數，使用TCP通信模塊配置好端口502、IP 地址等通信參數，在Modbus 模塊中選擇所需的命令幀指令，在人機交互控制TCP 通信打開后，讀取相應寄存器的數值，然后進行數據解算，得到相應的溫度、濕度。通過系統(tǒng)時間來獲得采集數據的日期時間。在求解算子VI時，需要調用LabVIEW 函數“從字符串還原”，該系統(tǒng)中字節(jié)順序采用的是big-endian大端模式。

圖5 數據采集子程序

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 軟件總體設計

溫濕度采集系統(tǒng)軟件分為登錄模塊、主程序模塊。登錄模塊是操作員進入系統(tǒng)的入口程序，根據人員權限進入對應的主程序界面。主程序包括人員管理、設備管理、任務管理、采集控制、圖像管理等功能。人員管理主要負責對實驗室測試人員的授權管理，可實現對系統(tǒng)用戶的查看、添加、修改、刪除等功能；設備管理負責對實驗室溫箱設備的信息管理，可實現信息查看、添加、修改、刪除等功能；任務管理負責對實驗室溫濕度測試試驗的任務管理，可實現對任務信息的查看、添加、修改、刪除等功能；采集控制是在高低溫試驗運行后，開始控制溫濕度記錄儀，對溫濕度數據采集與監(jiān)控進行控制管理，可實現對高低溫試驗任務的查看，配置試驗參數，控制試驗過程的監(jiān)控管理；圖像管理功能可實現對試驗過程中的溫度、濕度數據的監(jiān)控管理及查看所選試驗數據的波形圖、數據表格顯示、打印圖像等功能。系統(tǒng)主程序軟件組成如圖6 所示。

圖6 主程序軟件組成

4.2 各組成部分設計

4.2.1 登錄模塊設計。登錄界面是系統(tǒng)的啟動界面，其實現流程如圖7所示。

圖7 登錄流程

4.2.2 主程序模塊設計。人員管理、設備管理、任務管理采用的是數據庫編程設計，采用Access 數據庫來創(chuàng)建人員表（賬號、密碼、權限）、設備表（設備編號、狀態(tài)、有效日期、機號、IP）、任務表（任務編號、負責人、預計開始時間、聯系人、設備編號、溫濕度上下限、試驗完成情況）等。主程序建立在while 循環(huán)上，通過事件結構，調用LabVIEW 數據庫中的insert、update、execute等模塊，使用SQL語句來實現對數據庫的交互管理。其中，在修改數據模塊時，巧妙使用界面表格的高級控件，結合使用表格“鼠標按下”事件與表格“點到行列”方法，來獲取表格中所需修改的屬性參數，并結合表格“設置單元格值”方法來實現對表格參數的修改，進而執(zhí)行更新指令，從而實現對數據庫的更新。

在采集控制管理模塊中，利用數據庫檢索任務表與設備表來列出選中設備下的任務單表。測試人員選擇需要做的任務，系統(tǒng)軟件配置好測試所需的參數，添加試驗生成試驗控制參數簇和試驗列表，進而控制試驗測試過程。當系統(tǒng)開始采集設備數據時，數據將自動保存到以試驗名命名的文件中，同時讀取數據庫中試驗數據判讀依據，并判讀數據，若不符合要求，系統(tǒng)會彈出報警對話框，報警指示燈變紅。若數據正常，系統(tǒng)將以設置好的采集時間間隔進行數據采集，系統(tǒng)默認間隔時間為1 s。試驗結束時，控制試驗列表停止數據采集。采集控制模塊流程如圖8 所示。在圖像管理模塊中，可根據試驗過程生成的試驗列表來選擇要查看的試驗圖像和實時數據。在設計保存數據模塊中，系統(tǒng)采用NI公司推出的TDMS文件來存儲數據，這是因為TDMS存儲具有速度快、文件小的優(yōu)勢。

圖8 采集控制流程

4.3 系統(tǒng)運行測試

在實驗室通過模擬聯試，系統(tǒng)運行正常；對系統(tǒng)進行軟件測試試驗，系統(tǒng)的各項功能均正常。通過配置具體的試驗條件參數，數據采集過程運行正常，可用來監(jiān)控溫箱內溫濕度的數據變化。四組溫度數據按照預期結果可正常記錄存儲，能正常查看選中的試驗波形圖數據。在生成的數據文件中查看時間記錄，驗證無遺漏數據。經過長時間的運行測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數據正?？煽浚闯霈F通信異常、突然死機等嚴重故障。

5 結語

本研究設計的系統(tǒng)實現了在環(huán)境實驗室中對溫箱的溫濕度實時監(jiān)測，利用LabVIEW 開發(fā)平臺和Modbus∕TCP 通信技術，能有效提高實驗室溫箱的自動化管理程度［11］，為整個試驗過程提供便利，節(jié)省了人力物力，便于監(jiān)控試驗溫濕度數據，管理試驗快速有效的運行。此外，該系統(tǒng)采用模塊化設計思路，便于后期維護，功能易于擴展，可進一步實現基于Web 瀏覽器的遠程監(jiān)控。該套采集系統(tǒng)的應用，能進一步提高對實驗室溫箱設備的管理水平，有效推動實驗室的科學化、自動化和信息化。