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1、本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目：基于MODBUS协议的模拟量采集卡的设计与实现姓 名： 学 院：信息科学与技术学院系：自动化系专 业：自动化年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称：讲师指导教师（校外）： 职称： 年 6月 1日基于MODBUS协议的模拟量采集卡的设计与实现摘要 在工业现场中，常常需要进行各种数据采集与监测，并与上位控制中心进行数据交换。本文介绍了基于MODBUS通讯协议的模拟量采集卡的软硬件设计与制作。本采集卡可以通过软件分时采集8路模拟量信号，并可适应不同输入电压范围，在各种实际场合中很常见，是一种典型的数据采集卡。针对数据的远程通信，使用基于MODBUS协议
2、的RS485总线通信方式。系统软件采用MCS-51汇编语言编写。关键词 单片机 模拟量采集 MODBUS 抗干扰精品Abstract In the industrial field, its often need to gather and monitor various kinds of data, and exchange data with master control center. This paper introduces the hardware and software design and the manufacture of the analog-data-acquisit
3、ion card which is based on MODBUS protocol. This card provides 8 analog input channels that are independently software programmable for a variety of ranges, and it is very common in various kinds of actual situation, is one of typical data-acquisition card. To the long-distance communication of data
4、, use the RS485 bus communication based on MODBUS protocol. The system software uses the MCS-51 assembly language compilation.Key Words: MCU analog-data-acquisition MODBUS anti-jamming目录引言5第一章 原理图的设计和PCB版布线81 系统总体设计82 绘制原理图93 PCB板布线104 本章小结11第二章 系统硬件组成121 AT89C51单片机122 MAX197模数转换器122.1 MAX197性能介绍132
5、.2 MAX197的使用方法152.3 AT89C51单片机对MAX197的控制163 6N137光耦合器164 通讯接口175 其他186 本章小结20第三章 系统抗干扰措施211 光电耦合212 低通滤波223 供电系统干扰的抑制224 本章小结23第四章 系统的软件设计241 Modbus协议简介242 模拟量采集子程序编写253 通讯部分程序框图274 本章小结29结论30致谢语31参考文献32附录 Protel软件介绍331 软件简介332 使用方法介绍332.1原理图绘制342.2生成网络表342.3 PCB板布线34引言随着我国工业水平的提高，工业现场的测量控制越来越重要，测量的
6、精度，数据的稳定性等指标均有了较大的提高。一个良好的数据采集卡能够为复杂环境下的数据采集带来很多便利。下面将着重介绍工业现场的一些特点，以及数据采集的相关信息。一、工业控制现场的特点随着科技的发展，危险而复杂的工业现场已经慢慢转变为较少人为干预的安全简单的操作环境，人们不需要进入工业现场，转而由机器自动控制，代替人们从事危险的工作。机器必须能实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必要的数据。对于不同的工业现场，其特点各不相同。化工方面，常常有危险的气体、液体，对人体有害。电气方面，常常表现为高电磁辐射、剧烈的温度变化、多种
7、多样的噪声干扰。其他的还有燃气、污水处理、排污监控、水文监测、石油、冶金等行业的现场。基于以上的特点，就要求一个良好的数据采集卡必须具备以下的特点：现场测控功能强，性能稳定，可靠性高；测控点数多，测控精度高，测控速度快；使用寿命长，能够抵抗一定的物理、化学破坏；等等。二、数据采集人们在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物的量值，另一方面也要采用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果。因此测量和控制是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而数据采集则是测控仪器和系统实现任务的工具和手段。因此，数据采集就是利用计算机技术采集、记录、显示和分析生产现场的各种物理参量，以供生
8、产管理人员和现场操作者参考的系统。数据采集技术是信息科学的重要分支，是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术的结合。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等转换为模拟或数字信号，再传送到计算机作进一步处理的这一过程，即“数据采集”。数据采集已在工农业、医药卫生、生态环保、航空航天、军事、气象等领域得到了广泛的应用。可以通过对信号的测量、处理、控制及管理，实现测、控、管的自动化与系统化。当前，数据采集与测控技术已是当代促进生产的一个主流环节，已广泛应用于电力、电子、冶金等行业。它从生产现场获取各种参数，运用科学规律和系统工程的作法综合有效地利用各种先进技术，使每个生产环节得到优化进而保证生
9、产规范化，提高产品质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。随着计算机技术的发展，数据采集技术已进入我国的各种生产领域，并得到了迅速的发展。由此也形成了一门新的研究领域。数据采集涉及的内容十分广泛，它包含多方面，多层次的研究任务，可以归纳为基础理论研究、开发技术研究和生产应用研究三个主要方面。第一，数据采集技术的基础理论研究，是指对数据采集的概念、现象、对象、原理、本质和规律等基本问题的理论描述。概念是构成理论的基本要素，是对事物特征的概括性的表述。第二，数据采集开发技术的研究。数据采集技术的实施必须要根据生产实践的需要，以基础理论为指导，运用计算机科学技术的优势，开发适合于特定对象的数据采集系
10、统。这就需要积极的开发和探索研究数据采集技术的有关理论和方法。当前数据采集的研究有：采集算法的研究、集成电路的研究、现场总线技术的研究、传感器技术的研究、抗干扰技术的研究等。第三，生产应用研究。数据采集的理论与技术，归根到底是要用于生产实践当中的。它的形成与发展固然与计算机科学技术的发展相联系，但如果没有运用科学的研究方法，开展生产实践活动，就无法揭示数据采集研究的本质规律，也只能停留在简单了解和肤浅的认识水平上，数据采集的理论与技术水平就不能提高并向前发展。三、模拟量采集的一般方法在工业生产过程中，被测参数，如温度、流量、压力、液位、速度等都是连续变化的量，称为模拟量。而单片机处理的数据只能
11、是数字量，所以数据在进入单片机之前，必须把模拟量转换成数字量（也即A/D转换）。需要用到的主要器件有：多路开关、采样保持器、A/D转换器等，其中A/D转换器是核心部件。A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位等，位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。就结构而言，有单一的A/D转换器（如ADC0801、AD673等），有内含多路开关的A/D转换器（如ADC0809、ADC0816均带多路开关）。随着大规模集成电路的发展，又生产出多功能A/D转换芯片，AD363就是它的一种典型芯片。其内部具有16路多路开关、数据放大器、采样保持器及12位A/D转换器，其本身就已构成一个完整的数
12、据采集系统。近年来，随着微型计算机的大量使用，出现了许多物美价廉的A/D转换器，如本采集卡所使用的由MAXIM公司生产的MAX197等。四、通讯方式的选择采集卡的上单片机并不能进行较为复杂的处理功能，在实际中需要通过上位控制中心使用电脑等强大的工具进行数据处理和显示。因此采集卡和主机的通讯显得尤为重要。而在工业现场的复杂环境中，可靠的通讯方式就决定了整个系统的稳定性。总线是信息传送的通道，是各部件之间的实际互联线。常用的接口总线有并行总线和串行总线两种。常见的串行总线有：本采集卡用到的MODBUS总线、CAN总线、RS232总线等。工业控制已从单机控制走向集散控制，如今已进入网络时代，工业控制
13、器连网也为网络管理提供了方便。Modbus就是工业控制器的网络协议中的一种。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。另一种常见的总线是CAN总线。CAN总线的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车的电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1Mbps。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配线装置1。其他
14、的总线及通讯方式这里就不做过多介绍，更多的信息可以查看文末的参考文献。第一章 原理图的设计和PCB版布线本章着重介绍本模拟量采集卡的总体思路和设计过程。首先给出本卡的硬件原理框图，然后通过Protel软件进行原理图的设计及PCB板布线。1 系统总体设计本模拟量采集卡为12位模拟量采集系统，使用基于MODBUS协议的RS485总线通信方式，可以通过拨码开关来选择本卡地址以及波特率。本卡接收总线的数据并判断是否为本卡地址，如果是，继续接受数据并判断主机的命令，完成主机所要求的任务；如果不是，返回继续接收总线数据，循环判断。设计本模拟量采集卡大致上可以分为三个阶段：拟制系统方案、前期知识准备；选择元
15、件、绘制电路原理图；硬件制作、软件调试、性能测定。以下对各阶段的工作内容和设计原则做一简要的叙述。一、拟制系统方案、前期知识准备首先根据模拟量输入的要求，制定具体计划，为接下去的工作做好准备。本模拟量采集卡的硬件主要分两部分, 分别完成数据采集和通讯的功能。本卡以单片机作为主体，采集的是模拟量信号，需要使用数模转换器，选择芯片型号是关键的一点。然后由于需要制作电路板，因此必须学习使用Protel这个强大的软件。通过各种参考书及资料，掌握这个软件的使用方法。具体信息请见附录中的Protel简介。二、选择元件、绘制电路原理图首先由需求选定合适的芯片。这里主要从：价格、参数要求、供求信息等方面决定元件的使用。对于系统的核心单片机，选用AT89C51。对于数模转换的关键芯片，选用MAX197。通讯接口是采集卡的另外一个组成部分。选取MAX483作为RS-485通讯的收发器。并选用6N137作为输入输出隔离器。它们的具体性能参数请见第二章。然后确定系统的原理框图。系统设计的原理框图见下图，包括系统
