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

Modbus是由MODICON公司于1978年提出并倡導的一種協(xié)議，其應(yīng)用領(lǐng)域包括生產(chǎn)過程自動化、過程控制和樓宇自動化。目前主要通過以太網(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實現(xiàn)。

文中以自動卷煙機械控制系統(tǒng)為例，自動卷煙控制系統(tǒng)完成卷煙動作需要多個設(shè)備協(xié)同動作完成，該系統(tǒng)可視為一個過程控制系統(tǒng)，需要對各設(shè)備的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控并要求能實時響應(yīng)用戶的操作。采用Modbus協(xié)議通信的方式，以上位機作為通信主站，將遵循完成對從站的動作控制。然而對于較為復(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程控制系統(tǒng)，常規(guī)的組態(tài)軟件難以消除實時通信與界面響應(yīng)之間的沖突，采用LabWindows/CVI實現(xiàn)Modbus協(xié)議，可充分利用多線程編程技術(shù)解決此問題，從而避免產(chǎn)生沖突時造成控制系統(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)用層報文傳輸協(xié)議，是一種請求/應(yīng)答協(xié)議，依照功能碼定義提供相應(yīng)的服務(wù)，協(xié)議定義了一個與通信層無關(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)的請求消息格式建立發(fā)送幀發(fā)起通訊，從站接收主站請求信息后作出響應(yīng)，一個請求/響應(yīng)周期如圖2所示，包含了1個主站請求幀與從站回復(fù)幀。Modbus協(xié)議有3種不同的通信類型，分別是主站請求通信，由主站發(fā)起;從站正常響應(yīng)，對主站的請求作出處理后無差錯的回復(fù)幀;異常響應(yīng)，從站發(fā)生異常情況后對主站請求的異?；貜?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)場控制的智能儀器儀表大多選用RTU模式。同樣，自動卷煙機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間作為報文起始和結(jié)束標志，兩報文間必須有大于發(fā)送3.5個字符的時間，同一個報文傳輸中，相鄰字符之間間隔必須小于發(fā)送1.5個字符的時間。實際應(yīng)用中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用的波特率來確定標識幀起始和結(jié)束時間，以波特率9 600 bit·s-1為例，1個字符用8 Byte表示，則發(fā)送1個字符的時間為ts=8/9 600≈0.83 ms。1.5個字符對應(yīng)的時間約為1.25 ms，3.5個字符對應(yīng)的時問為3 ms，計算出的時間作為幀起始與結(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)動與回調(diào)函數(shù)的編程方式，對于傳統(tǒng)的順序過程控制，無需使用多線程。當系統(tǒng)任務(wù)實時性要求較高時，CPU如果一直執(zhí)行實時性任務(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問題，操作系統(tǒng)中，線程是進程的一個執(zhí)行單元，是可以由系統(tǒng)調(diào)度的最簡單的代碼單元。對于單核系統(tǒng)，多線程技術(shù)充分應(yīng)用了CPU的空閑時間片，利用空閑時間片在主線程與次線程之間進行切換，由于系統(tǒng)切換速度快，所以兩個程序可視為同時運行。

多線程技術(shù)主要是線程池技術(shù)與異步定時器，線程池技術(shù)利用線程池對多個線程進行分配，適用于不定時事件。異步定時器使用的是Windows多媒體定時器，適用于定時循環(huán)事件，當有多個異步事件執(zhí)行時，優(yōu)先采用線程池技術(shù)。

3 Modbus協(xié)議實現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

自動卷煙控制系統(tǒng)包含5個站點，上位機作為主站點，4個從站對應(yīng)4個執(zhí)行機構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖3所示，主站需要實現(xiàn)的功能主要有3個方面：(1)輪詢功能。實時查詢子站的轉(zhuǎn)速信息，位置信息以及極限位置信息。(2)獨立控制功能。單獨控制從站執(zhí)行機構(gòu)動作，例如啟動，停止。(3)參數(shù)刷新功能。刷新參數(shù)信息，如轉(zhuǎn)速，運動位置等。

3.2 線程分配

輪詢功能及參數(shù)刷新功能在系統(tǒng)運行過程中持續(xù)執(zhí)行，如果在主線程中完成，會使CPU一直處于忙狀態(tài)，無法響應(yīng)界面對從站的單獨操作，造成界面響應(yīng)與實時性任務(wù)存在沖突。解決辦法是開辟新的線程，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)能及時響應(yīng)，又保證實時任務(wù)順利執(zhí)行。程序初始化時，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()。輪詢線程實現(xiàn)輪詢功能，通過通訊操作獲取從站的實時信息，發(fā)送線程和接收線程針對用戶的界面操作，分別完成從站的獨立控制功能。

3.3 Modbus協(xié)議實現(xiàn)

3.3.1 線程安全變量定義

通信過程中，多個線程訪問的全局變量有兩種，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，可能會造成線程發(fā)生阻塞，故將集中訪問的變量定義為結(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。每次訪問這些變量之前，都需要調(diào)用函數(shù)GetPointerToVarName(void)獲取對應(yīng)線程安全變量的指針，訪問完后，調(diào)用ReleasePointerVarName(void)函數(shù)及時釋放指針。

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;

幀變量用來存放發(fā)送幀或是接收幀的全部信息，針對每個從站定義了結(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;//子站錯誤狀態(tài)，用于異常響應(yīng)

}Slave;

3.3.2 應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)

輪詢線程周期性地查詢各個子站，發(fā)送線程完成主站對從站的單獨控制功能并及時響應(yīng)界面事件。其次，新建一個異步定時器，完成參數(shù)的定時刷新。為保證界面響應(yīng)的實時性，對3個線程的優(yōu)先級進行規(guī)定，優(yōu)先級從高到低為發(fā)送線程，接收線程，輪詢線程，異步定時器。

每個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個流程，分別是發(fā)送，接收和幀解析，完成3個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)的幀間字符延時通過函數(shù)SyncWait()實現(xiàn)，要求>3.5個字符時間。

每個線程都為主程序預(yù)留了標志位，主線程通過置位while循環(huán)標志位來完成對線程的控制。輪詢線程在程序運行過程中循環(huán)執(zhí)行，并且由異步定時器實時獲取最新的參數(shù)信息實時刷新界面;發(fā)送線程完成主站請求功能，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)定動作。發(fā)送和接收線程僅在響應(yīng)界面事件時執(zhí)行一次。

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

4 實驗驗證

軟件運行界面圖5所示。卷煙控制系統(tǒng)對完成空煙管填充的要求為卷煙時間<1.5 min，成煙重量為6.500±0.010 g。點擊開始操作之后系統(tǒng)自動運行完成卷煙動作，在系統(tǒng)運行過程中，需不斷發(fā)送查詢指令輪詢各從站轉(zhuǎn)速及位置信息，由異步定時器進行刷新，每個從站都能單獨控制啟動、停止和復(fù)位功能，卷煙過程中不會發(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間以及重量，試驗結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語

利用LabWindows/CVI實現(xiàn)Modbus通信，充分發(fā)揮了虛擬儀器開發(fā)的便捷功能，完成了實時性控制工作。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)，合理分配多個實時性任務(wù)，保證多個并發(fā)任務(wù)順利執(zhí)行。