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1、摘要在机械、化工、纺织等行业，随着生产规模的不断扩大，以及对生产过程集中监控的迫切要求，现场总线技术应运而生，并成为了当今测控领域研究的热点之一。Modbus协议作为现场总线的一种，以其开发成本低，简单易用等诸多优点己被工业领域广泛接受。信号测量作为工业中重要的测量参数之一，本课题选择了信号测量作为测量的对象，并设计了基于Modbus协议的信号测量测控节点。本设计采用TC1047A传感器采集现场信号测量，由DSP320IF2407单片机进行AD转换和Modbus协议通讯。通讯的物理层采用RS485接口，并增加了光电隔离、抗雷击和短路保护等功能。最后实现了单个节点和PC机的Modbus协议通讯，
2、并通过控制蜂鸣器和继电器来模拟工业现场控制。本文分别从硬件和软件上阐述了该信号测量测控节点的实现方法。关键词信号测量测控 Modbus协议RS485DSP320IF2407ABSTRACTWith the continuous expansion of production scale, and the urgent requirements in centralized monitoring of the production process in mechanical, chemical, textile and other industries. Fieldbus technology
3、came into being, and become one of hot research field of measurement and control today. As one of field bus, Modbus protocol have been widely accepted because of low development cost, easy to use and many other advantages in industry.The temperature is one of the important parameters measured in ind
4、ustry,so it has been chosen a measurement of the object,temperature measurement and control nodes has been designed based on Modbus protocol.This design uses TC1047A sensor to collect on-site temperature,AD conversion and Modbus protocol communications can be done by DSP320IF2407 microcontroller.The
5、 physical layer of communication adopts RS485 interface, and have optical isolation, anti-lightning and short circuit protection in addition. Finally, achieved the Modbus protocol communication between a single node and the PC, and simulate industrial control by controlling the buzzer, and relay. Th
6、is paper describes the implementation of temperature control node from hardware and software.KEY WORDSTemperature MonitoringModbus protocol RS485STC12C5A60目 录中文摘要英文摘要1 绪论12 设计方案32.1 方案概述32.2 方案论证32.2.1 通讯可靠性42.2.2 信号测量检测电路选择42.2.3 系统电源稳定性53 硬件电路设计63.1 最小系统电路63.2 信号测量检测电路63.3 电源电路73.4 报警控制电路93.5 通讯电路
7、103.6 显示电路133.7 硬件抗干扰的设计144 MODBUS协议概述与应用164.1 MODBUS协议概述164.1.1 总体描述164.1.2 MODBUS数据单元174.1.3 MODBUS通信原理174.2 M两种传输方式194.2.1 ASCll模式204.2.2 RTU模式204.3 MODBUS消息帧214.3.1 ASCll帧214.3.2 RTU帧214.3.3 字符的连续传输224.5 错误检测方法234.5.1 LRC检测244.5.2 CRC检测245 软件设计255.1 AD采集程序设计265.2 串口中断处理程序设计275.3 MODBUS协议程序设计295.
8、4 CRC计算及校验程序设计296 总结33致谢34参考文献35附 录 136附 录 2371 绪论随着计算机技术和网络技术的发展，工业参数的数字采集促进了现场总线技术的发展，目前现场总线已经从当初的4-20mA电流信号升级为数字信号，发展成为全数字通讯，解决了现场信号远距离高速传送的问题，而且提高了抗干扰性能，增加了系统配置的灵活性，节省了硬件投资，是未来生产自动化和过程控制的发展方向。目前，较有影响的总线有：Modbus，CAN，LonWorks，Profibus等。采用RS485标准总线技术对现场数据进行采集、管理，相对于CAN，LonWorks，Profibus等现场总线系统而言，具有
9、结构简易、成本低廉、硬软件支持丰富、安装方便，且与传统的DCS兼容，与现场仪表接口简单，系统实施容易等特点，因而RS485总线系统在一定时间内仍是中小控制系统的主要形式。信号测量测控模块作为一种重要的设备，在诸多工业生产过程中得到了广泛应用。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展，国外信号测量测控发展迅速，并在智能化、自适应等方面取得显著成果。在这方面，以口本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，生产出了很多商品化的、性能优异的信号测量测控器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外信号测量测控系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。基于单片机
10、的Modbus协议产品一般由单片机芯片为核心和外围辅助逻辑元器件组成，它充分利用单片机的硬件资源和软件资源，同时合理配置特定的功能元器件来实现产品的功用，外围元器件一部分是用来实现通讯的串行接口元件，具有电平转换的功能，这使得Modbus产品具有组成工业网络的能力；另一部分是功能器件，如：数模转化器、模数转化器、LED显示器等，能够实现很多的特定功能。由于产品的硬件构成比较简单，性能比较稳定，功能比较强且造价比较低成为该产品的主要特点，在国内使用的Modbus产品大部分是国外产品，国内很少有独立的知识产权，这是Modbus产品在国内的现状。本设计实现了单节点与PC机的Modbus协议的通讯，通
11、过单片机的功能模块进行AD采集，数码管显示，蜂鸣器报警和继电器控制，通过串口以RTU帧的格式和上位机通讯，实现节点上传信号测量AD值和上位机控制节点的I/O的功能。本论文第一章是绪论，概述了现场总线的发展及工业应用的发展趋势，分析了信号测量测控模块在国内应用的现状，然后对基于单片机的Modbus协议产品的特点进行介绍。第二章是设计方案介绍，通过对比元器件和电路，论证了设计的可靠性，并概述了系统实现的功能和设计的思路，并确定了设计的方案。第三章是硬件电路的设计和实现，首先对设计方案的硬件部分进行分模块的介绍，包括硬件结构、接口设计以及元器件功能的介绍说明。第四章是Modbus协议的研究，总述了M
12、odbus现场总线的协议结构，探索了Modbus物理层和数据链路层的实现方式，分析了Modbus协议的报文结构和数据交换方法以及校验方式。第五章是节点软件设计，首先概述了软件实现的功能和主要设计模块，分别介绍了个子程序的设计，重点描述了Modbus通讯实现的过程。2设计方案2.1方案概述本方案采用精密信号测量电压转换器TC1047作为采集现场环境信号测量的传感器，单片机选用性价比较高的DSP320IF2407。外部电压基准源为REF3325作为2.5V电压基准。8位拨码开关用来设置Modbus协议节点的ID号。RS232通讯电路实现节点和PC的Modbus通讯，并在调试时作为ISP烧录程序的接
13、口。RS485电路实现节点与节点之间的Modbus通讯接口。由于节点是在工业现场进行远距离布线，所以在设计RS485总线电路时特别增加了电路抗电磁干扰和防雷电等措施。数码管电路用来显示现场信号测量。在现场信号测量超过设定的阈值时，蜂鸣器进行报警，并且通过控制继电器来控制阀门等现场的执行器。单片机系统的具体框图如图2-1所示。图2-1 单片机系统框图由于实际应用系统中，往往分散节点数量较多，分布较远，现场存在各种干扰，为了减少对单片机系统的电磁干扰，在单片机与继电器、单片机与RS485的通道上分别加了光电隔离，这就要求各电源模块相互独立，所以在24V转5V的电源部分采用隔离稳压器以实现上述单片机
14、供电、RS485供电和继电器供电的完全隔离。电源系统如图2-2所示。图2-2 电源系统框图2.2 方案论证 通讯可靠性本设计中，通讯的物理层包括RS232电路和RS485电路两部分。RS232主要是单节点与PC机的通讯，其通讯速率预设低于9600b/s，距离小于15米，适用于户内布线，电磁干扰较小，所以采用DB-9连接器及MAX232电压转换电路即可实现其稳定工作。RS485电路适用于节点之间的通讯，其通讯速率预设低于1Mb/s，距离小于1000米，适用于户外布线，这就存在雷击、浪涌等电磁干扰，有时还会出现RS485信号线与电力线短路的情况，所以在设计RS485电路时，要求有抗雷击、抗浪涌冲击
15、以及过压保护等功能。在设计硬件电路时，本人查阅了相关技术文档，并经过论证，最后确定采用瞬变电压抑制二极管、自恢复保险丝以及钳位电路等来实现上述功能。具体电路见后面章节详细介绍。 由于本通讯采用了Modbus协议及CRC校验，可以保证数据链路层和应用层数据传输的可靠性。2.2.2信号测量检测电路选择信号测量检测选择的原则：在满足设计要求的基础上，遵循设计的简单可靠，电路的性价比高。目前信号测量传感器的种类众多，通过查阅技术文档，以及结合现有元件，最初确定了三种常用的信号测量传感器：DS18B20信号测量传感器、热敏电阻和TC1047A信号测量电压转换器。DS18B20信号测量传感器适用于高精度、高可靠性的场合。其具有体积小，硬件开消低，抗干扰能力强，精度高等特点。但是DS18B20 价格较贵，并在软件开发中发现DS18B20单总线通讯对时序要求较高，占用较多CPU资源，造成了软件开发的难度。结合本设计对检测信号测量的精度要求不高，所以综合考虑，放弃DS18B20作为信号测量检测的传感器，而选择热敏电阻或TC1047A信号测量电压转换器。热敏电阻虽然其价格便宜，电路设计简单，但其线性度很差。TC1047A 是线性电压输出信号测量传感器，其输出电压与测得的信号测量直接成比例，TC1047A 可精确地测量从-40C 到+125C 之间的信号测量，测量精度约2C，完全可以满足设计要求，并
