文章以多功能电力仪表作为实验设备，运用MODBUS协议，设计了远程抄表系统，实现用户对多功能电力仪表的远程参数设置和数据读取，组成一对多的远程抄表系统。基于MODBUS的远程抄表系统实现电量的实时采集，进而实现对用户电量参数的远方抄录与控制，系统的应用极大地提高了管理人员的工作效率。
采用传统的模拟信号控制或者数字-模拟信号控制的缺点在于其需要“点对点”控制，无法构成现场控制大系统。现场总线技术可以突破瓶颈，它综合了微电子技术、自动控制技术、网络技术等多种技术手段，构成全分散、全数字化、双向多点互联的多功能电力仪表通信控制系统。
1、远程抄表系统方案设计
如图1所示，抄表系统由上位机，多功能电力仪表以及相应的接口转换器组成。多功能电力仪表的连接方式为总线型拓扑结构。通讯介质为RS485，采用的是Modbus RTU协议。上位机与多功能电力仪表采用一主多从的通信方式。通信由主机发起，从机对主机发出信息中的地址码进行识别，并根据识别的结果，做出相应的响应。主机的通信接口方式有两类，主要取决于主机的外设接口。第一类由USB发出，经过USB/232模块，转换成RS-232电平，再由232/485模块接入RS485网络。第二类直接由主机的RS232端口发出，经232/485模块接入RS485网络。上位机与多功能电力仪表之间采用半双工工作方式，即在同一时刻只能处于接收信息状态或者发送信息状态，不能同时收发信息。
图1 系统拓扑图
多功能电力仪表采用国际最新电子技术，以专用DSP器件，高速微处理器为核心的数字式智能电参数测量仪，是一款智能型电参数采集模块，可测量三相三线制、三相四线制等系统中的电流、电压、功率、功率因数、频率、电能等。其输出为RS485数字信号：有电压值、电流值、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电能等参数。系统采用RS485总线。485总线采用数据差分传输方式进行数据通信。利用两条线之间的压差作为逻辑状态的判定标准。因此，其共模抑制抗干扰能力较强，传输速率高。485总线上连接着多台多功能电力仪表，通过向485总线上广播出Modbus协议信息，对应地从机做出反馈。在RS485总线上理论上可接256个（地址码00-FF）多功能电力仪表。系统采用支持Modbus RTU协议的多功能电力仪表YR-GFE-2S4。同时该表还提供多种波特率选择，可通过显示屏进行参数设置和数据读取。多个多功能电力仪表之间使用地址码进行区分，保证地址不重复，不会发生冲突。多功能电力仪表通过RS485通信接口接到485总线上与上位机之间进行数据通信。
2、Modbus协议实现
当主机以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，1个字节分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCII模式。
RTU模式下每个字节的格式
注意：如果没有校验位的话，则用停止位补充，即两位停止位。
RTU模式下的帧格式
①定义defbyte数组依次拼接地址码，功能码，寄存器开始地址，寄存器数量，如表1所示。
表1 数据请求包
②根据defbyte数组的内容，送入CRC校验子函数，计算出CRC码并返回。
③重新定义rebyte数组，将CRC码拼接到数组尾部。CRC校验码低位在前，高位在后。在RTU模式下，没有开始与结束标志位。取而代之的是t3.5:表示的是3.5个字符的静止时间。这是因为在RTU模式下，信息帧之间以需间隔至少t3.5，即若两个字节之间间隔大于或等于t3.5，则自动识别为两个不同的信息帧。
如表2所示，在接到数据当中，第4，5个字节分别代表电压和电流量程，读取后需先转换成10进制数据类型。第6，7字节代表电流变比为4位16进制数。转换成10进制的策略是：高八位若不为0，则高八位乘以256，加上第八位的数值。若高八位为0，则只需计算第八位数值即可。
表2 数据回复包
3、UI界面设计
在进行UI界面设计的时候，需将同一类的一些控件放到同一个模块里面，这样用户在使用的时候就不会感到很凌乱。如图2所示，在串口设置模块当中，有关于串口设置的端口号，波特率，校验位，数据位，停止位的设置。经过这样的设计之后，用户不至于会与电表的波特率设置相互混淆。在还没有打开串口的时候，有可能用户会触发发送按键，这样程序就会报错。因此，在还没有打开的时候，能激活相应的按键。只有在串口打开的条件下，才能对发送等按键进行激活。串口打开的时候，应没有办法二次打开，串口打开按键应该无法使用，串口关闭的按键激活，防止用户进行误操作。
图2 远程抄表系统UI界面
在设计UI界面的时候，须考虑到用户的操作顺序。用户的操作顺序：打开串口→写入相应参数→读取多功能电力仪表读数。因此，在设计的时候应有这方面的考虑，让用户操作尽量舒适，满足从上到下，从左到右的习惯。此外，界面增加一个信息提示栏，让用户知道自己的指令是否已经发送出去，得到的数据是否校验成功等，增加人机互动性。
基于Modbus的总线系统优势在于其系统的错误校验，数据交换速度以及可靠性都是传统电力仪表所不能比拟的，这套系统克服了其他通信方式一些没有办法弥补的缺陷。网络管理功能落后，对错误的处理能力弱等缺陷。此外，因本系统严格按照Modbus协议的有关规定，所有支持Modbus控制协议的设备都可以经过简单的编程搭接到总线上，具有较强的通用性。本系统设计了良好的UI界面，设计了众多的按键功能，各个组合键的配合使用可以方便现场的操作和设置。
