虛擬儀器(Virtual Instruments)是80年代末出現(xiàn)的概念，即在通用硬件平臺(tái)上通過(guò)更改軟件功能，設(shè)計(jì)出不同功能的測(cè)試儀器，能大幅縮短研發(fā)周期，降低成本。NI公司的LabWindows/CVI具有強(qiáng)大的圖形界面設(shè)計(jì)功能，以ANSIC為核心，提供了豐富的庫(kù)函數(shù)與儀器驅(qū)動(dòng)。

Modbus是由MODICON公司于1978年提出并倡導(dǎo)的一種協(xié)議，其應(yīng)用領(lǐng)域包括生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、過(guò)程控制和樓宇自動(dòng)化。目前主要通過(guò)以太網(wǎng)上的TCP/IP、Modbus令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)以及各種介質(zhì)上的異步串行傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

文中以自動(dòng)卷煙機(jī)械控制系統(tǒng)為例，自動(dòng)卷煙控制系統(tǒng)完成卷煙動(dòng)作需要多個(gè)設(shè)備協(xié)同動(dòng)作完成，該系統(tǒng)可視為一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，需要對(duì)各設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并要求能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的操作。采用Modbus協(xié)議通信的方式，以上位機(jī)作為通信主站，將遵循完成對(duì)從站的動(dòng)作控制。然而對(duì)于較為復(fù)雜的Modbus通訊協(xié)議的各設(shè)備作為子站完成組網(wǎng)，可方便地以通信的方式與從站完成信息交互并過(guò)程控制系統(tǒng)，常規(guī)的組態(tài)軟件難以消除實(shí)時(shí)通信與界面響應(yīng)之間的沖突，采用LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議，可充分利用多線程編程技術(shù)解決此問(wèn)題，從而避免產(chǎn)生沖突時(shí)造成控制系統(tǒng)的故障。

1 Modbus協(xié)議描述

1.1 Modbus幀描述

Modbus協(xié)議是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，是一種請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，依照功能碼定義提供相應(yīng)的服務(wù)，協(xié)議定義了一個(gè)與通信層無(wú)關(guān)的通用信息幀，幀格式如圖1所示，首先由主站依據(jù)相應(yīng)的請(qǐng)求消息格式建立發(fā)送幀發(fā)起通訊，從站接收主站請(qǐng)求信息后作出響應(yīng)，一個(gè)請(qǐng)求/響應(yīng)周期如圖2所示，包含了1個(gè)主站請(qǐng)求幀與從站回復(fù)幀。Modbus協(xié)議有3種不同的通信類型，分別是主站請(qǐng)求通信，由主站發(fā)起;從站正常響應(yīng)，對(duì)主站的請(qǐng)求作出處理后無(wú)差錯(cuò)的回復(fù)幀;異常響應(yīng)，從站發(fā)生異常情況后對(duì)主站請(qǐng)求的異常回復(fù)。

1.2 Modbus傳輸模式

Modbus協(xié)議定義了兩種串行傳輸模式，分別是ASCII模式和RTU模式。兩種模式使用不同的方法對(duì)幀起始和傳輸做出定義。在同樣的波特率下，相比于ASCII模式，RTU模式具有更高的吞吐率，故工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的智能儀器儀表大多選用RTU模式。同樣，自動(dòng)卷煙機(jī)Modbus網(wǎng)絡(luò)傳輸使用的是RTU模式。RTU模式以傳輸相鄰字符的間隔時(shí)間作為報(bào)文起始和結(jié)束標(biāo)志，兩報(bào)文間必須有大于發(fā)送3.5個(gè)字符的時(shí)間，同一個(gè)報(bào)文傳輸中，相鄰字符之間間隔必須小于發(fā)送1.5個(gè)字符的時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用的波特率來(lái)確定標(biāo)識(shí)幀起始和結(jié)束時(shí)間，以波特率9 600 bit·s-1為例，1個(gè)字符用8 Byte表示，則發(fā)送1個(gè)字符的時(shí)間為ts=8/9 600≈0.83 ms。1.5個(gè)字符對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為1.25 ms，3.5個(gè)字符對(duì)應(yīng)的時(shí)問(wèn)為3 ms，計(jì)算出的時(shí)間作為幀起始與結(jié)束的依據(jù)。

2 多線程技術(shù)的應(yīng)用

LabWindows/CVI采用事件驅(qū)動(dòng)與回調(diào)函數(shù)的編程方式，對(duì)于傳統(tǒng)的順序過(guò)程控制，無(wú)需使用多線程。當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，CPU如果一直執(zhí)行實(shí)時(shí)性任務(wù)，則不能響應(yīng)界面的其它事件。引入多線程技術(shù)可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題，操作系統(tǒng)中，線程是進(jìn)程的一個(gè)執(zhí)行單元，是可以由系統(tǒng)調(diào)度的最簡(jiǎn)單的代碼單元。對(duì)于單核系統(tǒng)，多線程技術(shù)充分應(yīng)用了CPU的空閑時(shí)間片，利用空閑時(shí)間片在主線程與次線程之間進(jìn)行切換，由于系統(tǒng)切換速度快，所以兩個(gè)程序可視為同時(shí)運(yùn)行。

多線程技術(shù)主要是線程池技術(shù)與異步定時(shí)器，線程池技術(shù)利用線程池對(duì)多個(gè)線程進(jìn)行分配，適用于不定時(shí)事件。異步定時(shí)器使用的是Windows多媒體定時(shí)器，適用于定時(shí)循環(huán)事件，當(dāng)有多個(gè)異步事件執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先采用線程池技術(shù)。

3 Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自動(dòng)卷煙控制系統(tǒng)包含5個(gè)站點(diǎn)，上位機(jī)作為主站點(diǎn)，4個(gè)從站對(duì)應(yīng)4個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示，主站需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有3個(gè)方面：(1)輪詢功能。實(shí)時(shí)查詢子站的轉(zhuǎn)速信息，位置信息以及極限位置信息。(2)獨(dú)立控制功能。單獨(dú)控制從站執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，例如啟動(dòng)，停止。(3)參數(shù)刷新功能。刷新參數(shù)信息，如轉(zhuǎn)速，運(yùn)動(dòng)位置等。

3.2 線程分配

輪詢功能及參數(shù)刷新功能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)執(zhí)行，如果在主線程中完成，會(huì)使CPU一直處于忙狀態(tài)，無(wú)法響應(yīng)界面對(duì)從站的單獨(dú)操作，造成界面響應(yīng)與實(shí)時(shí)性任務(wù)存在沖突。解決辦法是開(kāi)辟新的線程，將輪詢功能以及參數(shù)刷新功能放到次線程中完成，這樣既能保證系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)，又保證實(shí)時(shí)任務(wù)順利執(zhí)行。程序初始化時(shí)，新建線程池，調(diào)用線程池分配函數(shù)CmtScheduleThreadPoolFunetionAdv()新建輪詢線程PollThread()，發(fā)送線程SendRTUThread()以及接收線程ReceiveRTUThread()。輪詢線程實(shí)現(xiàn)輪詢功能，通過(guò)通訊操作獲取從站的實(shí)時(shí)信息，發(fā)送線程和接收線程針對(duì)用戶的界面操作，分別完成從站的獨(dú)立控制功能。

3.3 Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.3.1 線程安全變量定義

通信過(guò)程中，多個(gè)線程訪問(wèn)的全局變量有兩種，分別是發(fā)送和接收信息幀。各從站的速度和位置等信息，由于變量較多且類型不一，如果全部定義線程安全變量，可能會(huì)造成線程發(fā)生阻塞，故將集中訪問(wèn)的變量定義為結(jié)構(gòu)體變量，再調(diào)用DefineThreadSafeVar。(VarType，VarName)將結(jié)構(gòu)體變量聲明為線程安全變量。每次訪問(wèn)這些變量之前，都需要調(diào)用函數(shù)GetPointerToVarName(void)獲取對(duì)應(yīng)線程安全變量的指針，訪問(wèn)完后，調(diào)用ReleasePointerVarName(void)函數(shù)及時(shí)釋放指針。

主程序中定義了Modhus RTU幀的結(jié)構(gòu)類型，如下

typedef struct

{

int ByteLength;//幀內(nèi)字節(jié)數(shù)

unsigned char message[256];//幀信息數(shù)組

}Message;

幀變量用來(lái)存放發(fā)送幀或是接收幀的全部信息，針對(duì)每個(gè)從站定義了結(jié)構(gòu)變量類型，表征從站的特征信息，如下

typedef struct

{

int velocity;//速度信息

int codevalue;//編碼器信息

int startplace;//起始位置

int endplace;//終止位置

int slavestate;//子站在線狀態(tài)

int errorstate;//子站錯(cuò)誤狀態(tài)，用于異常響應(yīng)

}Slave;

3.3.2 應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)

輪詢線程周期性地查詢各個(gè)子站，發(fā)送線程完成主站對(duì)從站的單獨(dú)控制功能并及時(shí)響應(yīng)界面事件。其次，新建一個(gè)異步定時(shí)器，完成參數(shù)的定時(shí)刷新。為保證界面響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)3個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行規(guī)定，優(yōu)先級(jí)從高到低為發(fā)送線程，接收線程，輪詢線程，異步定時(shí)器。

每個(gè)線程都需完成主站與從站之間的通信，將Modbus主站的一次通信分解為3個(gè)流程，分別是發(fā)送，接收和幀解析，完成3個(gè)流程則表明主站與從站完成了一次完整的通信。定義發(fā)送函數(shù)SendMessage()、接收函數(shù)ReceiveMessage()與幀分析FrameAnalyze()完成上述流程，以方便各個(gè)線程調(diào)用，程序流程圖如圖4所示，發(fā)送程序內(nèi)的幀間字符延時(shí)通過(guò)函數(shù)SyncWait()實(shí)現(xiàn)，要求>3.5個(gè)字符時(shí)間。

每個(gè)線程都為主程序預(yù)留了標(biāo)志位，主線程通過(guò)置位while循環(huán)標(biāo)志位來(lái)完成對(duì)線程的控制。輪詢線程在程序運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)執(zhí)行，并且由異步定時(shí)器實(shí)時(shí)獲取最新的參數(shù)信息實(shí)時(shí)刷新界面;發(fā)送線程完成主站請(qǐng)求功能，接收線程獲取從站的響應(yīng)信息，解析從站接收是否正常并做出規(guī)定動(dòng)作。發(fā)送和接收線程僅在響應(yīng)界面事件時(shí)執(zhí)行一次。

串口作為公共硬件資源，存在多個(gè)線程占用的問(wèn)題，LabWindows/CVI為訪問(wèn)串口提供了一系列的接口訪問(wèn)函數(shù)。為避免各線程造成訪問(wèn)沖突，采用類似線程鎖的機(jī)制來(lái)處理，將串口視為一個(gè)全局變量，為每個(gè)串口分配一個(gè)線程鎖對(duì)象，任何時(shí)候訪問(wèn)串口之前都必須獲取線程鎖，訪問(wèn)完畢之后及時(shí)釋放。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

軟件運(yùn)行界面圖5所示。卷煙控制系統(tǒng)對(duì)完成空煙管填充的要求為卷煙時(shí)間1.5 min，成煙重量為6.500±0.010 g。點(diǎn)擊開(kāi)始操作之后系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行完成卷煙動(dòng)作，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需不斷發(fā)送查詢指令輪詢各從站轉(zhuǎn)速及位置信息，由異步定時(shí)器進(jìn)行刷新，每個(gè)從站都能單獨(dú)控制啟動(dòng)、停止和復(fù)位功能，卷煙過(guò)程中不會(huì)發(fā)生死鎖現(xiàn)象。以10支空煙管為例，記錄完成每支煙管卷煙完成的時(shí)間以及重量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)Modbus通信，充分發(fā)揮了虛擬儀器開(kāi)發(fā)的便捷功能，完成了實(shí)時(shí)性控制工作。相比于使用組態(tài)王等軟件，其功能更為豐富，并且可以充分利用多線程技術(shù)，合理分配多個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)，保證多個(gè)并發(fā)任務(wù)順利執(zhí)行。