基于MODBUS通訊的信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)_圖文

1、基于MODBUS 通訊的信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)程勝勇,劉暾東(廈門大學(xué)福建廈門361005摘要:在分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,往往需要實(shí)時(shí)采集遠(yuǎn)程被控對(duì)象的各種參數(shù),并與上位控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文介紹了基于M O DBU S 通訊協(xié)議的信號(hào)采集卡硬件和軟件設(shè)計(jì)。其硬件主要分為信號(hào)采集和通信2部分。本卡主要采集各種數(shù)字量,如按鍵是否按下,繼電器是否閉合等。由于PC 機(jī)串行口最大傳輸距離僅為50100ft,因此采用R S 485總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。軟件部分采用C 語(yǔ)言編寫下位機(jī)程序,而上位機(jī)界面的搭建選用V B 。該采集卡可以運(yùn)用到許多實(shí)際的工控場(chǎng)合。關(guān)鍵詞:RS 485總線;M O DBU S

2、 協(xié)議;信號(hào)采集;通信中圖分類號(hào):T N 915.05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004373X (20052002502Design of Signal Collection Card Based on MODBUS CommunicationCHENG Shengy ong ,L IU Dundo ng(Xiam en Uni v ersit y,Xiam en,361005,ChinaAbstract :In dist ributed dat a co llectio n and super vision sy stems ,it is needed t o collect t he p

3、ar ameter s o f the co ntro lled object and ex chang e dat as w ith master co nt ro l center.T he paper int ro duces har dw ar e and so ftw are design of sig nal collection car d w hich is based on M O DBU S pro tocol.T he hardwa re is mainly co mpo sed by tw o par ts,sig nal collect ion and co mmun

4、ica tio n.T his card mainly collect s digital dat as,such as states of butto ns o r relay s,and so on.Because the max transpor t dista nce of serial por t of PC is only 50100ft,so RS 485Bus is used to realize the remo te dat a t ransmissio n .T he softw ar e of slav e co mputer is pr o gr ammed by C

5、 ;while the inter face of ma st er computer is built by VB.T he ca rd co uld be applied to many industr ial co ntro l o ccasions.Keywords :RS485Bus;M O DBU S pr oto col;sig nal co llectio n;communication收稿日期:20050629基金項(xiàng)目:福建省青年科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目(2004J0201引言以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。目

6、前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品芯片中都集成了串行通信的接口。使用這些通信接口和RS 485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò),從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種RS 485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前,在DCS 中,主機(jī)大多采用PC 機(jī),其串行口為標(biāo)準(zhǔn)RS 232口。但由于RS 232不易進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸,存在共地噪聲且不能抑制共模干擾。目前廣泛采用的是RS 485收發(fā)器。RS 485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收,具有抑制共模干擾的能力,加上收發(fā)器具有很高的靈敏度,能檢測(cè)低達(dá)200mA 的電壓。本文介紹的基于M

7、 ODBU S 通信的信號(hào)采集卡正是采用RS 485通信方式。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)采集卡的硬件主要分2部分,分別完成數(shù)據(jù)采集和通訊的功能,如圖1 所示。圖1數(shù)據(jù)采集和通訊的功能本卡采集的是數(shù)字量信號(hào),如現(xiàn)場(chǎng)的繼電器狀態(tài)、按鍵是否被按下、開關(guān)閉合與否。在采集信號(hào)進(jìn)入微處理器CPU 之前,先經(jīng)過74L S 244驅(qū)動(dòng)器。圖2給出采集8路數(shù)字量信號(hào)的硬件圖。通訊接口是采集卡的另外一個(gè)組成部分,選取M A X483作為RS 485通訊的收發(fā)器,并選用6N137作為輸入輸出隔離器,如圖3所示。25現(xiàn)代電子技術(shù)2005年第20期總第211期 集成電路2.2軟件設(shè)計(jì)2.2.1MODBUS 通信協(xié)議采集卡

8、與主機(jī)的通信采用M ODBU S 協(xié)議。M ODBU S 是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能識(shí)別的消息結(jié)構(gòu),而不管他是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。他描述了一種控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過程,如何回應(yīng)來(lái)自其他設(shè)備的請(qǐng)求,以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。他制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式,其一般格式如圖4 所示。圖2 數(shù)字信號(hào)采集硬件圖圖3 通訊接口圖4M O DBU S 協(xié)議一般格式2.2.2流程圖及源程序利用中斷接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。其流程圖如圖5所示。采集卡選用的處理器芯片是87C 51,采用C 語(yǔ)言編寫其程序。主程序進(jìn)行初始化,并不斷偵測(cè)串口,一旦接收到數(shù)據(jù)即進(jìn)入中斷服務(wù)。在中斷服務(wù)

9、程序里接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。中斷程序如下:v oid int 1(v oid interr upt 4uchar addr ;ES =0;RI=0;addr =SBU F ;w hile(addr !=SL AV EES =1;g ot o r eti ;SM 2=0;sr e(;/調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序buid(;/組織要發(fā)送的數(shù)據(jù)str (;/調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子程序r eti:; 圖5中斷、發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖3PC 機(jī)軟件設(shè)計(jì)在Windows 2000/XP 環(huán)境中,編寫串行通信應(yīng)用程序,一般采用如下2種方法:(1通過調(diào)用Win32A PI 提供的串行通信函數(shù),這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)繁瑣;(2利用專門處理串行

10、通信的控件來(lái)編程。在本系統(tǒng)中,選擇一個(gè)名為M SComm 的第三方控件來(lái)實(shí)現(xiàn)采集卡的串行通信管理。其主要步驟如下:(1對(duì)串口進(jìn)行初始化,按協(xié)議建立包含地址、功能碼、寄存器起始地址和寄存器數(shù)的請(qǐng)求數(shù)組,調(diào)用CRC 16函數(shù)對(duì)以上數(shù)據(jù)生成兩字節(jié)CRC 校驗(yàn)碼并附在尾部,建立待發(fā)送的請(qǐng)求幀;(2利用M SComm 的O utput 方法,將上述請(qǐng)求幀送入串行口;(3按照查詢方式,檢查輸入緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)以及幀首部的兩字節(jié),確認(rèn)響應(yīng)數(shù)據(jù)的正確性;(4用Input 屬性讀取響應(yīng)數(shù)據(jù),依據(jù)第3個(gè)字節(jié)計(jì)算出采集數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度,并將后續(xù)的采集數(shù)據(jù)讀入數(shù)組進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。4結(jié)語(yǔ)利用基于M ODBU S 通信的RS

11、485總線在Windows 2000/XP 環(huán)境下構(gòu)建的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集/傳輸系統(tǒng),解決了(下轉(zhuǎn)第31頁(yè)26制造與設(shè)計(jì)程勝勇等:基于M ODBU S 通訊的信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)用卡諾圖分別化簡(jiǎn)A ,B ,C ,D 各項(xiàng),例如化簡(jiǎn)A 的過程如圖4所示,得A =Q 1+Q 3或者A =Q 2Q 4;同樣B=Q 2+Q3或者B=Q1Q4;C=Q 4;D=0,用或門或者與門均可實(shí)現(xiàn)Q 1Q 2Q 3Q 4與DCBA 之間的邏輯關(guān)系。其中DCBA 為譯碼器74L S 48的輸入端,其輸出abcdef g 接到共陰極數(shù)碼管相應(yīng)的段碼上即可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)的譯碼 和顯示。圖4A 的卡諾圖2.2聲響電路將圖3電路中的Q

12、1Q 2Q 3Q 4端通過與門接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的負(fù)觸發(fā)端。NE555的(2腳在無(wú)觸發(fā)信號(hào)輸入的靜態(tài)時(shí)保持高電平,當(dāng)某組搶先按下?lián)尨鸢粹o,其輸出端Q =1,對(duì)應(yīng)的Q =0,導(dǎo)致IC (2腳出現(xiàn)下降沿,使得(3腳輸出高電平控制信號(hào),可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。為了防止(2腳一直是負(fù)脈沖,555一直工作達(dá)不到定時(shí)的要求,就在(2腳前端接了一級(jí)RC 電路,通過給電容充電使(2腳逐漸升高到V TH 。電路如圖4所示,定時(shí)時(shí)間為T W =1.1RC =1s 。3結(jié)語(yǔ)通過以上的分析、比較、修改和綜合優(yōu)化,得到了一種較為理想的搶答器設(shè)計(jì)電路。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路設(shè)計(jì)合理,具有比較可靠的工作方式和更

13、強(qiáng)的適用性,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求。通過智力競(jìng)賽搶答器電路的分析與設(shè)計(jì),為綜合使用觸發(fā)器、鎖存器等基本邏輯電路設(shè)計(jì)出更多搶答組的、功能更強(qiáng)大的智力競(jìng)賽搶答器類電路打下了較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),也有利于進(jìn)行其他較大規(guī)模的綜合性強(qiáng)的數(shù)字邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)踐,為學(xué)生綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的 培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。圖51s 聲響電路參考文獻(xiàn)1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M .第4版.北京:高等教育出版社,1999.2荀殿棟,徐志軍.數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)M .北京:電子工業(yè)出版社,2003.3章忠全.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M .北京:中國(guó)電力出版社,1999.4蔡良偉.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)M .西安:西安電子

14、科技大學(xué)出版社,2003.作者簡(jiǎn)介韓芝俠女,1970年出生,實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用及EDA 。(上接第26頁(yè)主控計(jì)算機(jī)與下位機(jī)之間的分布式雙向數(shù)據(jù)傳輸問題。該系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)、操作界面友好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、具有較好的容錯(cuò)能力,在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果,達(dá)到了預(yù)期的實(shí)際目的。若需要采集的是模擬量,僅需要在輸入通道中加入A /D 轉(zhuǎn)換器件即可。同時(shí)本文介紹的基于M ODBU S 通信的數(shù)據(jù)采集卡也可以用到其他場(chǎng)合,如DCS 系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化系統(tǒng)等,都具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1何立民.M CS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置與接口技術(shù)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.2