毕业设计论文-基于modbus协议的模拟量采集卡的设计与实现.doc
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基于MODBUS协议的模拟量采集卡
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：
2001级
学号：
指导教师（校内）：
职称：
讲师
指导教师（校外）：
职称：
2005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
35
AbstractIntheindustrialfield,it’softenneedtogatherandmonitorvariouskindsofdata,andexchangedatawithmastercontrolcenter.Thispaperintroducesthehardwareandsoftwaredesignandthemanufactureoftheanalog-data-acquisitioncardwhichisbasedonMODBUSprotocol.Thiscardprovides8analoginputchannelsthatareindependentlysoftwareprogrammableforavarietyofranges,anditisverycommoninvariouskindsofactualsituation,isoneoftypicaldata-acquisitioncard.Tothelong-distancecommunicationofdata,usetheRS485buscommunicationbasedonMODBUSprotocol.ThesystemsoftwareusestheMCS-51assemblylanguagecompilation.
KeyWords:
MCUanalog-data-acquisitionMODBUSanti-jamming
目录
引言 5
第一章原理图的设计和PCB版布线 8
§1系统总体设计 8
§2绘制原理图 9
§3PCB板布线 10
§4本章小结 11
第二章系统硬件组成 12
§1AT89C51单片机 12
§2MAX197模数转换器 12
§2.1MAX197性能介绍 13
§2.2MAX197的使用方法 15
§2.3AT89C51单片机对MAX197的控制 16
§36N137光耦合器 16
§4通讯接口 17
§5其他 18
§6本章小结 20
第三章系统抗干扰措施 21
§1光电耦合 21
§2低通滤波 22
§3供电系统干扰的抑制 22
§4本章小结 23
第四章系统的软件设计 24
§1Modbus协议简介 24
§2模拟量采集子程序编写 25
§3通讯部分程序框图 27
§4本章小结 29
结论 30
致谢语 31
[参考文献] 32
附录Protel软件介绍 33
§1软件简介 33
§2使用方法介绍 33
§2.1原理图绘制 34
§2.2生成网络表 34
§2.3PCB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，包括系统的主要部件：
单片机
MAX197数模转换芯片
8路模拟量接口
光电隔离
RS-485总线接口
RS-485总线处理芯片
复位
晶振
拨码开关
锁存器
图1.1系统原理框图
接下来在充分熟悉Protel的基础上，绘制此模拟量输入卡的电路原理图。
系统原理说明：
8位机械开关配合电阻电容网络形成数字量信号，通过74LS244锁存器将所需的控制信息写入单片机（这里用于设定传输速率）。
8路模拟量首先经有源低通滤波器，以消除高次谐波和大部分高频噪声信号，减轻在进行谐波分析时出现的频谱混叠现象。
然后通过光耦合器，接着通过MAX197数模转换后分2次将12位（8+4）数据送入单片机，然后通过MAX483将数据送出以及进行通讯。
三、硬件制作、软件调试、性能测定
使用Protel进行PCB板布线，制作出PCB板，通过电脑使用单片机仿真器对设计所要求的全部功能进行测试和评价，以确定系统是否符合预定性能指标。
若发现某一项功能或指标达不到要求时，则应相应变动硬件或修改软件，重新调试，直到满足要求为止。
采集卡与主机的通信采用MODBUS协议。
MODBUS是应用于电子控制器上的一种通用语言。
此协议定义了一个控制器能认识的消息结构,而不管它是经过何种网络进行通信的。
它描述了一种控制器请求访问其他设备的过程,回应来自其他设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。
在系统开发过程中，软件设计的工作量比较大，应尽量采用结构化设计和模块化方法编制程序，这对程序的修改和调试十分有利。
§2绘制原理图
原理图的绘制过程和方法这里不做赘述，需要指出的是，原理图中有几个芯片在Protel的零件库中没有，需要自己画，见下表1.1：
表1.1新增元件
元件
MAX483
8个并排的电阻
光耦合器6N137
元件图
其绘制方法参见附录中的Protel软件介绍。
这些元件的封装都是常见的封装格式，在Protel的封装库中已有，不需要自己制作。
系统总体原理图见下图：
图1.2系统原理图
§3PCB板布线
PCB板布线的过程和方法这里同样不做赘述。
其中覆铜用于隔绝噪声，对于焊盘补泪滴可以使焊盘更牢固。
插口类的器件分布在PCB板的四周，单片机位于中央，容易发热的器件也得到了很合理的布置。
PCB板布线图见下图1.3：
图1.3PCB板布线图
§4本章小结
本章对这个模拟量采集卡进行宏观介绍，并给出了Protel原理图和PCB板的布线图。
关于原理图的绘制过程和PCB板的布线过程和方法等这里不做详细介绍，在本论文的附录中带有Protel软件介绍。
第二章系统硬件组成
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。
具体分为：
单片机、开关量参数输入模块、数模转换模块、MODBUS总线通讯模块、抗干扰模块（光电隔离、低通滤波）等。
系统硬件框图请参见第一章第一节图1.1。
图2.1AT59C51引脚图
§1AT89C51单片机
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。
由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器。
全部支持12时钟和6时钟操作。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。
可实现两个由软件选择的节电模式：
空闲模式和掉电模式。
空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。
掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。
由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。
运行可从时钟停止处恢复。
图2.2MAX197引脚图
AT89C51是80C51微控制器的派生器件，是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器，指令系统与80C51完全相同。
该器件有4组8位I/O口、3个16位定时/计数器、多中断源-4中断优先级-嵌套的中断结构、1个增强型UART、片内振荡器及时序电路。
其引脚见图2.1。
在本模拟量采集卡中，AT89C51和数模转换器的连接参见2.3节。
§2MAX197模数转换器
按照本模拟量采集卡的设计要求，模数（A/D）转换芯片的选择既要有适当的精度，还要有尽可能高的集成度和转换速度，同时也要考虑到芯片的性价比。
经过综合考虑，选用MAXIM（美信）公司的12位DAS（data-acquisitionsystem数据采集系统）MAX197接口芯片。
它的引脚见图2.2。
它和CPU的接口电路如图2.3所示。
MAX197是一种多路输入、多量程（±10V，±5V，+10V，+5V）、单电源供电（+5V）、分辨率为12位、8+4总线接口、转换时间6us的逐次渐进式数据采集系统。
它不仅能提供8路模拟输入通道，还能对不同模拟输入电压进行编程，从而大大扩大它的动态范围（14位）。
它有标准的微机接口。
三态数据I/O口用作8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。
全部逻辑输入和输出与TTL/CMOS电平兼容。
另外，该芯片还具有故障变换保护电路（对输入多路转换器），当任何通道上发生故障时，并不影响选择通道的转换结果。
使用片内电压，在REFADJ与REF端分别获得精度为±1.5%电压2.5V和4.096V。
其中4.096V是通过片内缓冲器放大输出[2]。
§2.1MAX197性能介绍
MAX197具有如下特点[3]：
Ø12位分辨率，1/2LSB线性度
Ø单+5V操作供电
Ø软件可选的输入范围：
±10V，±5V，0V至10V，0V至5V
Ø故障变换保护电路（对输入多路转换器）（±16.5V）
Ø8路模拟输入通道
Ø6µs转换时间，100ksps采样频率
Ø内部或外部采集模式
Ø内部4.096V或外部基准电压
Ø两种掉电模式
Ø内部或外部时钟
MAX197的引脚定义如表2.1所示：
表2.1MAX197引脚定义
引脚
名称
功能
1
CLK
时钟输入。
在外部时钟模式，用一个TTL/CMOS适合的时钟驱动CLK。
在内部时钟模式，从此引脚到地之间放一个电容来设置内部时钟频率。
典型例子：
电容CCLK=100pF时fCLK=1.56MHz
2
片选，低电平有效。
3
当为低电平时，在内部采集模式，的一个上升沿锁存控制字，然后开始采样及一个转换周期。
当为低电平时，在外部采集模式，第一个的上升沿使采样保持器开始采样，然后的第二个上升沿（这时ACQMOD=O）使采样保持器进入保持期并开始一个转换周期。
4
如果为低电平，的一个下降沿将允许数据总线的一个读操作。
5
HBEN
用来扩充至12位转换结果。
为高电平时，4MSBs被扩充至数据总线；为低电平时，8LSBs在数据总线上可用。
6
关闭。
低电平时将设备转换到完全掉电（FULLPD）的模式。
7～10
D7～D4
三态数字I/O接口。
11
D3/D11
三态数字I/O接口。
D3输出（HBEN为低电平），D11输出（HBEN为高电平）。
12
D2/D10
三态数字I/O接口。
D2输出（HBEN为低电平），D10输出（HBEN为高电平）。
13
D1/D9
三态数字I/O接口。
D1输出（HBEN为低电平），D9输出（HBEN为高电平）。
14
D0/D8
三态数字I/O接口。
D0输出（HBEN为低电平），D8输出（HBEN为高电平）。
D0为LSB。
15
AGND
模拟地。
16～23
CH0～CH7
模拟量输入通道。
24
转换结束时变为低电平，输出的数据准备就绪。
25
REFADJ
带隙基准电压输出/外部调整引脚。
通过一个0.01µF的电容接到模拟地。
当在REF引脚使用外部基准时，连接到VDD。
26
REF
缓冲器基准电压输出/ADC基准输入。
在内部基准电压模式，基准缓冲器提供一个4.096V的标准输出电压，在REFADJ外部可微调。
在外部基准模式，通过将REFADJ接到VDD来禁用内部缓冲。
27
VDD
+5V电源，经0.1µF电容到模拟地。
28
DGND
数字地。
MAX197的工作模式由控制字决定，控制字格式如下：
表2.2控制字格式
D7（MSB）
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0（LSB）
PD1
PD0
ACQMOD
RNG
BIP
A2
A1
A0
位
名称
描述
7,6
PD1,PD0
这两位选择时钟和电源关闭模式（见表：
2.4）
5
ACQMOD
0为内部采集模式（6时钟循环）；1为外部采集模式
4
RNG
选择输入的全部电压范围（full-scalevoltagemagnitude）。
（见表：
2.3）
3
BIP
选择单极或双极转换模式（见表：
2.3）
2、1、0
A2,A1,A0
这3位是输入模拟量的地址位以选择打开的通道（见表：
2.5）
范围和极性选择：
表2.3范围和极性选择
BIP
RNG
输入范围（伏）
0
0
0至5
0
1
0至10
1
0
±5
1
1
±10
时钟和电源关闭模式选择：
表2.4时钟和电源关闭模式选择
PD1
PD0
设备模式
0
0
正常操作；外部时钟模式
0
1
正常操作；内部时钟模式
1
0
待机电源关闭模式（STBYPD）；不影响时钟模式
1
1
全部电源关闭模式（FULLPD）；不影响时钟模式
模拟量输入通道选择：
表2.5通道选择
A2
A1
A0
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
0
0
0
—
0
0
1
—
0
1
0
—
0
1
1
—
1
0
0
—
1
0
1
—
1
1
0
—
1
1
1
—
数据总线输出：
表2.6数据总线
引脚
HBEN为低电平
HBEN为高电平
D0
B0（LSB）
B8
D1
B1
B9
D2
B2
B10
D3
B3
B11（MSB）
D4
B4
B11（BIP=1）/0（BIP=0）
D5
B5
B11（BIP=1）/0（BIP=0）
D6
B6
B11（BIP=1）/0（BIP=0）
D7
B7
B11（BIP=1）/0（BIP=0）
§2.2MAX197的使用方法
当开始写操作时，转换就开始了。
写入控制字操作将选择多路通道，并确定MAX197的输入范围是单极性还是双极性。
一个写脉冲（+）可以开始一次采集，或者对采样进行初始化并开始转换。
采样结束时，产生一次中断。
写入控制字节的ACQMOD位对于采集方式提供两种选择：
内部或外部。
对任何时钟模式和采集模式，转换间隔都延时12个时钟周期。
若在转换周期写一个新的控制字节将使转换失效,并启动一次新的采集过程。
基于MAX197芯片的数据采集系统有以下两种采样模式：
1、外部采集模式
采用外部采集方式可以更精确地控制采样间隔和转换。
MAX197有8路模拟量输入通道，每个通道在外部设一个采样保持器，以保证各参数均在同一时刻采样。
8个模拟量参数经过多路开关，分时的接通送入MAX197的通道1或选用其他通道。
用户通过2个脉冲控制采集和启动转换。
在第一个写脉冲中，要使ACQMOD位=
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