基于Modbus的多通道数据采集系统设计

贵州大学电气工程学院 白 帆 贺辉刚

中国石油西南管道公司贵阳输油气分公司 陈小静

基于Modbus的多通道数据采集系统设计

贵州大学电气工程学院 白 帆 贺辉刚

中国石油西南管道公司贵阳输油气分公司 陈小静

在工业生产中，现场的温度和电压等参数对于监控工作环境和设备的运行状况是必不可少的，监控室的上位机对现场实时采集的数据进行监控。本设计采用AT89C51单片机作为微控制器，PT100热电阻作为测温元件，实现多路温度和电压的采集并通过MODBUS通信协议经过串口传输到上位机。上位机采用Labview进行编程，完成对数据的接收和显示。

多路采集；modbus；LabVIEW；串口通信

引言

在工业生产中,温度和电压的采集信号的实时性和可靠性是非常重要的。由于采集系统的性能不稳定导致温度和电压信号误报,严重时可造成严重的生产事故。当温度数据的采集存在一定的误差也会严重缩短机器的寿命。因此提高温度采集系统的实时性和可靠性是一项非常紧迫的工作［1］。

Modbus通信协议是Modicon公司开发的一种通信协议。它采用主从问答方式工作,其规范己在国际互联网上公布,是一种在工业领域被广为应用的真正开放、 标准的网络通信协议,因而基于MODBUS的数据采集系统在工业生产中得到了广泛的应用。

1 系统总体方案设计

本设计利用MODBUS通信协议将采集的电压和温度信号传输到上位机显示,监控。下位机的程序编写用Keil软件编写。整个数据采集系统分为数据采集模块、A/D转换模块、控制器模块(单片机)、下位机与上位机电气接口模块、上位机模块。在数据采集的过程中是以单片机为核心,控制A/D的转换以及A/D转换结果的存储。当数据采集到单片机后,按照单片机和上位机设置好的MODBUS传输协议的参数,双方就可以通过串口进行通信。单片机查询上位机通过串口发送到下位机的MODBUS命令帧,执行命令帧的命令。

图1 系统框图

2 下位机功能设计

2.1 数据采集模块

PT100是一种广泛应用的测温元件,在-50～600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势,包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等,适用于工业现场的测温。因而本设计的温度采集模块式基于PT100的测温电路。

工业上PT100的测温电路主要有两线制和三线制两种测温。二线制测温电桥,PT100引线及连接导线的电阻和热电阻处于电桥的一个桥臂中,他们随环境温度的变化全部加入到热电阻的变化中,直接影响测温电路测量温度的稳定性［2］。采用三线制测温电路时,是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上,使得导线电阻得以消除。图2所示为三线制测温电路。

此三线制测温电路将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上,使得导线电阻得以消除。提供给三线制测温电路的电源是一个采用TL431的良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。桥式电路的差动输出接到放大器的同相端和反相端,放大器的输出与热电阻的阻值关系为：

本设计中UIN=5V,R1=2000Ω,R6=100Ω,R5=2000Ω。分别带入式(1)得：

2.2 下位机串口通信程序

MODBUS通信协议是主从通信协议,只有当上位机发送命令帧到下位机,下位机才能返回数据帧到上位机。本设计的单片机串口通信采用的是查询方式,主机命令帧格式与下位机返回帧格式分别见表1和表2。说明：命令帧字节为十六进制数

表1 主机命令帧

图2 三线制测温电路

表2 从机返回帧

说明：返回帧字节为十六进制数

下位机的通信过程：下位机先进行初始化,设置好波特率和奇偶校验方式,这两个设置必须和上位机一样,下位机和上位机才能正常通信。然后下位机就处于查询接收中断状态。当收到上位机发来的数据,下位机清接收中断,然后开始接收数据。进行从机地址判断,若非本机号码,重新接收数据;若是本机号码,进行CRC校验,若接收数据正确,进行报文解析,执行报文功能,发送响应报文。

本设计采用查询方式接收报文。接收到报文的第一个字节先判断是否为本机地址,如果不是,则重新接收报文,如果是本机地址,则接收完整个报文再判断功能码和CRC校验值。

3 上位机功能设计

3.1 串口通信

串行通信是一种常用的数据传输方式,在LabVIEW中实现串行通信的方式主要有利用VISA和使用ActiveX控件两种。本设计利用VISA来实现串口通信。在一些特殊情况下,需要设置串口接收/发送缓冲区的大小,在串口使用结束后,使用VISA Close结束与VISA resource name指定的串口之间的会话。

图3 多路数据采集系统上位机界面

3.2 上位机界面

该数据采集系统共有八路模拟量的采集。图4所示为上位机前面板。前面板中包括串口参数配置部分和数据显示部分。首先在前面板中对串口进行参数配置,在写入命令框中写入要发送的指令,下位机响应后,返回数据帧至上位机,上位机对数据进行解析后显示,完成一次通信。上位机对采集到的数据进行处理后显示(见图3)。

4 结语

本设计基于MODBUS RTU协议进行数据传输,上位机采用LabVIEW编程软件进行开发,在采集终端通过单片机来控制数据的采集和发送,完成了数据采集和传输的功能,并在上位机中显示。系统运行平稳可靠,界面友好,操作简单。在今后的研究中,可以对系统功能进行扩展,优化软件系统功能,使系统具有更好的可移植性和更加美观的人机交互界面。

[1]王福瑞等．单片微机测控系统设计大全[M]．北京:北京航空航天大学出版社,1999．

[2]韩九强．现代测控技术与系统[M]． 北京：清华大学出版社,2007．9．

[3]袁雪,陈斌,鲁中巍,管国强．基于LabVIEW的Modbus串口通讯协议的实现[J]．现代仪器,2008(2):31-33．

[4]张宇,黄伟志,郝岩．基于LabVIEW的多功能数据采集系统的设计与实现[J]．自动化仪表,2013,34(8): 24-26．

[5]李永强,单鸣雷,朱昌平,陈秉岩,王庭,陈进．基于Modbus协议的多功能数据采集器设计[J]．计算机测量与控制,2014,22(3):839-841．

白帆，硕士研究生，就读于贵州大学电气工程学院，研究方向：嵌入式系统与自动化装置。