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基于Modbus协议的数据采集系统.doc
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任务书 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙I
摘要∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3
第 1 章 概述 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4
第 2 章 设计原理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5
2.1 单片机选择 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5
2.2 上位机的选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5
2.3 系统工作原理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6
第 3 章 硬件设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7
3.1 C8051F350 单片机∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7
3.3 ADM2582E 电路∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
3.5 供电电源电路∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9
第 4 章 软件设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
4.1 Modbus 协议介绍∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
4.2 组态王使用说明∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2
4.3 Protel DXP 简介 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4
第 5 章 结 论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8
参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9
附 录 1∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
附 录 2∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
摘要
本文首先简要介绍了目前常用做数据采集系统中下位机的单片机、数据采集的通讯方
式以及上位机界面的开发软件。其次阐述了本系统方案的选择制定与具体设计。最后将核
心器件与核心技术原理做了具体介绍。本数据采集系统是基于 Modbus 协议实现 C8051F350
单片机与组态王通讯的数据采集系统的设计。运用了 C8051F350 单片机内集成 24 位 ADC 的
采集信号,将信号进行模/数转换后送至 C8051F350 单片机做数据处理工作。数据处理完毕
后由 C8051F350 单片机经 RS-485 通信接口转 USB 接口传送至 PC 机。RS-485 通讯接口选用
ADM2582/7E 芯片设计的通讯接口电路,该芯片内集成了 RS-485 收发器和一个隔离电源,具
有良好的远传输能力和抗干扰能力。数据通讯时遵从 Modbus 主从协议,单片机作为从机,
PC 机为主机。Modbus 通讯协议有两种传输模式,即 ASCII 模式和 RTU 模式。本系统采
用 RTU 模式,数据量相对较少也便于处理分析。此外 Modbus 协议中含有 CRC 数据校验功能,
使得通信的可靠性也得到了大幅度提高。上位机“组态王”软件的 Modbus 模块设备会从 COM
口(即 USB 接口)中读取到采集数据并进行显示。该系统的特点是:使用简便;采集精确、
通信稳定、可靠;测量范围大;使用对象广,稍加改动之后应用会更加广泛。
关键词:C8051F350 单片机;Modbus 通讯协议;ADM2587E;组态王
第 1 章 概述
随着科技的发展和“信息时代”的到来,数据采集技术得到了显著的发展,其应用领
域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。因此,了解并掌握数据采集的工作
原理及方法是非常重要的。
在一些工业现场中,设备长时间运行容易出现故障,为了监控这些设备,通常利用数
据采集装置采集他们 数据采集运行时的数据并送给 PC 机,通过运行在 PC 机上的特定软
件对这些数据进行分析,以此判断当前运行设备的状况,进而采取相应措施。数据采集是
工控领域里常常需要做的一件事,从仪器仪表开发到工业自动化控制等各个技术领域都离
不开数据采集技术。数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动
采集信息的过程。数据采集系统是 数据采集结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵
活的、用户自定义的测量系统。数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声
音等物理现象。基于 PC 的数据采集,通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合,进行测
量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义,但各个系统采集、分析和显示
信息的目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集
设备和应用软件。
在互联网行业快速发展的今天,数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域,数
据采集领域已经发生了重要的变化。首先,分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在
国内外已经取得了长足的发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计
算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世,将数据采集
带入了一个全新的时代。
为了提高对数据采集的认识和了解,尤其是对 Modbus 通讯协议的深入研究以及其用法
与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合“组态王”
软件而开发设计了这一数据采集系统。文中详细地讲述了数据采集的原理,数据通讯的方
法等。基于 Modbus 协议的数据采集系统的设计具有解决实际问题的重要意义。
第 2 章 设计原理
2.1 单片机选择
C8051F35x 系列器件使用 Silicon Labs 的专利 CIP-51 微控制器内核。CIP-51 与 MCS-5
1TM 指令集完全兼容,可以使用标准 803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发。C8051F35x
系列器件具有标准 8052 的所有外设部件。C8051F35x 系列器件的内部振荡器在出厂时已经
被校准为 24.5MHz±2%。器件内还集成了外部振荡器驱动电路,允许使用晶体、陶瓷谐振器、
电容、RC 或外部 CMOS 时钟源产生系统时钟。时钟乘法器允许工作时钟频率达到 50MHz。外
部振荡器在低功耗系统中是非常有用的,它允许 MCU 从一个低频率外部晶体源运行,当需
要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。更重要的是 C8051F35x 系列单片机内部有一个
全差分 24 位模/数转换器,该 ADC 具有在片校准功能。24 位的 A/D 转换器完全能满足数据
采集的精度要求。
2.2 上位机的选择
目前学习掌握的上位机开发软件有虚拟仪器数据采集系统中最为广泛使用的 NI 公司
的 LabVIEW 开发软件和北京亚控科技发展有限公司开发的“组态王”软件。两者都具备数
据采集通讯的功能且各有优缺点,确实很难取舍。
LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言,
它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软
件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的
全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强
大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使
用过程都生动有趣。图形化的程序语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,基本
上不写程序代码,取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟
悉的术语、图标和概念,因此,LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自
己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进
行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。
“组态王”软件由中国本土软件厂商北京亚控科技发展有限公司生产的。截止到 2009
年底,“组态王”已在国内装机量有 10 万套,成功地应用于我国工业领域的各行各业,例
如石油、化工、电力、冶金、造纸、橡胶、环保、机械制造等等,在中国使用的监控软件
中,组态王拥有国内最多的用户。组态王软件经过 7 年多的发展,已具有强大的人机界面
开发功能、快速便捷的应用设计、方便实用的工程管理、种类丰富的图形配置资源、支持
多样的通讯接口协议,灵活简便的开发环境等诸多优点。
由于本系统设计要求数据采集通讯协议遵从 Modbus 协议,组态王软件强大的通讯能力
支持 PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备,更有支持 Modbus 协议的功
能模块可直接调用,无需再次编程。因此本系统上位机开发软件选择“组态王”软件。
2.3 系统工作原理
数据采集系统的方案有很多种,本系统的最终方案定为:运用 C8051F350 单片机内集
成 24 位 ADC 的采集信号,将信号进行模/数转换后送至 C8051F350 单片机做数据处理工作。
数据处理完毕后由 C8051F350 单片机经 RS-485 通信接口转 USB 接口传送至 PC 机。数据通
讯时遵从 Modbus 主从协议,上位机“组态王”软件的 Modbus 模块设备会从 COM 口(即 USB
接口)中读取到采集数据并进行显示。
本系统整体框架主要由 C8051F350 单片机系统、供电电源电路、AD 采样电压电路、
ADM2582E 电路等结构组成。
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