基于Modbus现场总线的液体流量测试平台的研究和设计
基于Modbus现场总线的液体流量测试平台的研究和设计[20191213105247]
摘 要
随着机械、化工、纺织等行业的飞速发展和生产规模的不断扩大，人们对生产过程集中监控的要求也越来越迫切，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。液体流量作为工业中重要的测量参数之一，本课题选择了液体流量作为测量的对象，并设计了基于Modbus协议的液体流量测试平台。
本文选择涡轮流量计作为流量监测装置，选择STC89C52单片机监测流量，上位机软件在.NET Framework平台下使用C#语言开发，编写上位机Modbus协议程序，实现上下位机的协议通讯。经测试，本系统可以收集、存储、显示采集器发送的数据，可以快速、实时地采集流量信息并能准确、实时地传输数据到上位机显示。测试平台向使用者提供友好的用户界面方便用户监控，查询流量变化曲线，并有自由设置流量上下限和报警等功能。
本设计综合运用了单片机技术，计算机技术，自动控制技术，嵌入式技术，通信技术，实现了流量的监控控制功能，实现了数据监测，数据传输和数据处理保存，对实际的工业化生产提供了很好的参考价值，对同类产品的开发也有一定的借鉴意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字测试平台；单片机；.NETFramework开发平台；C#程序语言；Modbus通讯协议ABSTRACT
Key words:Test platform;MCU;NETFrameworkdevelopment platform;C #programming language;MODBUS communication protocol目录
摘要 I
目录 I
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 本文的主要研究内容 2
本章小结 2
第2章 设计方案 3
2.1 方案论述 3
2.2 方案论证 4
2.2.1 通讯可靠性 4
2.2.2 监测流量电路选择 4
2.2.3 最小系统电路选择 5
2.2.4 显示电路选择 6
本章小结 7
第3章 硬件设计 9
3.1 单片机最小系统设计 9
3.2 电源设计 10
3.3 液晶显示设计 10
3.4通讯电路设计 11
本章小结 14
第4章 软件设计 15
4.1 中断处理程序设计 16
4.1.1 串口中断 16
4.1.2 外部中断 18
4.1.3 定时器溢出中断 19
4.2 MODBUS协议程序设计 19
4.2.1 Modbus协议概述 19
4.2.2 Modbus两种传输方式 23
4.2.3 Modbus消息帧 26
4.2.4 程序功能设计 31
4.3 C#上位机程序设计 34
4.3.1 上位机串口配置 34
4.3.2 寄存器配置 35
4.3.3 数据库 36
4.3.4 自动发送接受 37
本章小结 37
第5章 系统调试 38
5.1 Modbus协议调试 38
5.2 综合调试 39
本章小结 40
第6章 总结与展望 41
6.1 总结 41
6.2 展望 41
参考文献 42
致谢 44
附录一外文翻译 45
附录二主要程序 54
第1章 绪论
1.1研究背景
在如今的现代化工业控制中, 由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性, 以及监控与控制等任务对实时性的要求, 不同设备之间现场交互性信息的传递越来越多。但传统的工业控制系统软件存在着一些问题。不具备开放性，各个部分的联系过于紧密，使系统过于复杂。这样使系统的更新、扩展和升级变得非常困难，对系统任何一部分的变动都有可能对其它部分造成影响，从而导致大量且烦琐的软件和硬件的修改。不仅如此，软件的重复开发也成了传统的工业控制软件开发中的另一个主要问题，软件不能复用，资源无法共享，造成大量的人力与物力资源的浪费[1]。
由于传统工业控制系统的带来的不便，造成形成了大量的“信息孤岛”,但是，对于工业控制而言，各站点之间不是孤立的，它们必须互相配合、协调才能保证产品质量和实现连续生产，这就需要各站点能相互通信。另外，上级管理网也需要与子站交互数据，以实现全局的监控和优化。然而，子站是采用不同开发平台、不同通讯协议组成的异构系统，可能由不同的厂家和个人开发。要为每种协议写一个转换接口或驱动是比较繁琐的，特别是在站点和协议较多的时候。因此，怎样有效集成数据，避免信息孤岛的出现，是工业控制领域中常遇到难点问题之一。
比较好的方法是各站点都采用标准协议进行数据通讯，而不必为每一种协议开发一个通讯接口。这方面的协议比较多，目前，较有影响的总线有：Modbus，CAN，LonWorks，Profibus等。MODBUS是一种全开放, 免费提供,非常容易理解和实施的协议, 从70 年代诞生以来,在制造业、电力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施的工业领域中的数据采集和过程控制得到了广泛应用, 形成了一种事实上的工业标准。同时，随着计算机网络技术的迅速发展, 信息技术已逐步进入工业自动化领域。现在，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，而且抗干扰性能提高了，系统配置的灵活性也得到增加了，节省了硬件投资，已经是未来生产自动化和过程控制的发展方向。
液体流量监测作为当今工业生产的重要环节，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，国外液体流量发展迅速，并在智能化、自适应等方面取得显著成果。在这方面，以口本、欧美等国的技术领先，生产出了多品种、全系列，多规格的流量测控器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外液体流量测控系统及仪表正朝着高精度、智能化，寿命长等方面快速发展。
1.2本文的主要研究内容
本文主要通过软件编程，编写上下位机程序，实现一个基于Modbus协议的液体流量监测平台。本文首先需要为课题的实现构建一个模型，对于该课题而言，应想到怎样在一台设备上实现MODBUS更注重的是思想和模型的建立，便于在实际工业生产中实现讨论时具体运用。本课题首先是实现上下位机的通信，本文是选择一台下位机，以探讨平台的建立的可行性，然后再后续研究中探讨不只一台设备，继而两台设备间的通信模型，最后到多台设备的通信结构，实现通讯组网。
对于流量测定，本文选择的是涡轮流量计。采用涡轮进行测量的流量计，它是先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。于是再设计下位机程序，使用单片机编写检测频率的程序，实现检测监控频率的变化即可。
然后再此原理上，编写上位机程序，本文选择C#语言，在VS2010平台上编写程序，实现上下位机信息通讯。上位机通过实时图形和数字量显示流量的变化，并设计数据库，保存此前流量的记录。此外，还对流量设定应有的上限和下限，有报警保护功能。最后对整个课题的实现进行一个总结，带给读者一个实现该课题的基本框架，以及在实现该课题过程中自己的一些见解以、疑问及学到的知识和技术。提出自己对该项技术的展望，以及这项技术的发展前景。
本章小结
本章主要介绍了基于Modbus通讯协议液体流量测试平台的研究背景，并介绍了本人在面对此课题时的设计思路和想法，再简单介绍流量监测的传感器和相关原理后，继而介绍了本文接下来所要做的工作，自己的感悟和对未来的展望。第2章 设计方案
2.1方案论述
因为本文采用涡轮流量计的原理进行流量的监控和测试平台的设计，所以在设计当中，我们选用更方便的信号发生器，作为频率的发出端，进而模拟流量的变化，此设计方式方便研究，更有可操作性，也有利于直接讨论实际的流量变化情况。在信号发生器一端，可采用比较器，矫正电平可能的干扰。单片机选用性价比较高的STC89C52，51系列单片机对实现测量外部变化频率的功能上，完全可行，程序也简单可行。RS232通讯电路实现节点和PC的Modbus通讯，并在调试时作为ISP烧录程序的接口。显示电路使用NOKIA5110实现液晶显示，方便清晰显示现场流量数值变化。同时，C#上位机程序设计了数据库，可方便对流量数据进行保存，方便数据分析。在现场流量超过设定的上下限时，蜂鸣器进行报警，警示灯会亮。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
2.2 方案论证
2.2.1通讯可靠性
本设计中，实现通讯的物理层有RS232电路和RS485电路两部分。RS232主要是单节点和上位机的通讯，它的通讯速率预设不高于9600b/s，适用于距离小于15米的户内布线，电磁干扰也会较小，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电路是另一种串口通信，适用于节点之间的通讯，其通讯速率预设低于1Mb/s，适用于距离小于1000米的户外布线，当然，这也就存在雷击、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，必须考虑到抗雷击、抗浪涌冲击以及过压保护。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LRC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监测流量电路选择
流量检测选择的原则：在满足设计要求的基础上，遵循设计的简单可靠，电路的性价比要高。目前流量传感器的种类繁多，考虑到本文更偏重测试平台的建立，以及结合现有实验室元件，最初确定了采用涡流原理的流量计。
图2-2 涡轮流量计
涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时，在流体的作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，即电脉冲信号，此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。涡轮流量计具有精度高、重复性好、无零点漂移、高量程比等优点。涡轮流量计拥有高质量轴承、特别设计的导流片，因此极大降低了磨损，对峰值不敏感，甚者恶劣的条件下也可以给出可靠的测量变量。涡轮流量计输出信号为脉冲，易于数字化。
此脉冲信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：Q=3600×f/k
式中：
f——脉冲频率[Hz]；
k——传感器的仪表系数[1/m]，由校验单给出。若以[1/L]为单位Q=3.6×f/k
Q——流体的瞬时流量（工作状态下）[m3/h]；
3600——换算系数。
所以在了解到涡轮流量计如此功能后，本文根据此原理，也方便了程序的编写，使之完全可以满足设计要求，并且通过单片机的外部中断实现频率的测定，即可实现流量检测，方法简单、可靠[2]。
2.2.3最小系统电路选择
本文在测频率中需要用到单片机，而当今信息时代，单片机的发展非常迅速，市场上存在着各式各样的单片机，有51系列，430，XS128等。如何选择单片机，并制作最小系统板成了本设计首要考虑。
由于本设计要求功能相对简单，因而选择51系列单片机，已经能够满足本设计要求。本文选择STC89C52单片机构成最小系统，采用外部中断引脚接信号发生器的方式测量频率。
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机 体系结构和指令系统 ，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置有8位中央处理单元 、256字节内部数据存储器 RAM、8k片内程序存储器 （ROM）、32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信 口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还具有低功耗工作模式，通过两种软件 可以选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器 、串行口 和中断系统 维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式[3]。
摘 要
随着机械、化工、纺织等行业的飞速发展和生产规模的不断扩大，人们对生产过程集中监控的要求也越来越迫切，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。液体流量作为工业中重要的测量参数之一，本课题选择了液体流量作为测量的对象，并设计了基于Modbus协议的液体流量测试平台。
本文选择涡轮流量计作为流量监测装置，选择STC89C52单片机监测流量，上位机软件在.NET Framework平台下使用C#语言开发，编写上位机Modbus协议程序，实现上下位机的协议通讯。经测试，本系统可以收集、存储、显示采集器发送的数据，可以快速、实时地采集流量信息并能准确、实时地传输数据到上位机显示。测试平台向使用者提供友好的用户界面方便用户监控，查询流量变化曲线，并有自由设置流量上下限和报警等功能。
本设计综合运用了单片机技术，计算机技术，自动控制技术，嵌入式技术，通信技术，实现了流量的监控控制功能，实现了数据监测，数据传输和数据处理保存，对实际的工业化生产提供了很好的参考价值，对同类产品的开发也有一定的借鉴意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字测试平台；单片机；.NETFramework开发平台；C#程序语言；Modbus通讯协议ABSTRACT
Key words:Test platform;MCU;NETFrameworkdevelopment platform;C #programming language;MODBUS communication protocol目录
摘要 I
目录 I
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 本文的主要研究内容 2
本章小结 2
第2章 设计方案 3
2.1 方案论述 3
2.2 方案论证 4
2.2.1 通讯可靠性 4
2.2.2 监测流量电路选择 4
2.2.3 最小系统电路选择 5
2.2.4 显示电路选择 6
本章小结 7
第3章 硬件设计 9
3.1 单片机最小系统设计 9
3.2 电源设计 10
3.3 液晶显示设计 10
3.4通讯电路设计 11
本章小结 14
第4章 软件设计 15
4.1 中断处理程序设计 16
4.1.1 串口中断 16
4.1.2 外部中断 18
4.1.3 定时器溢出中断 19
4.2 MODBUS协议程序设计 19
4.2.1 Modbus协议概述 19
4.2.2 Modbus两种传输方式 23
4.2.3 Modbus消息帧 26
4.2.4 程序功能设计 31
4.3 C#上位机程序设计 34
4.3.1 上位机串口配置 34
4.3.2 寄存器配置 35
4.3.3 数据库 36
4.3.4 自动发送接受 37
本章小结 37
第5章 系统调试 38
5.1 Modbus协议调试 38
5.2 综合调试 39
本章小结 40
第6章 总结与展望 41
6.1 总结 41
6.2 展望 41
参考文献 42
致谢 44
附录一外文翻译 45
附录二主要程序 54
第1章 绪论
1.1研究背景
在如今的现代化工业控制中, 由于被控对象、测控装置等物理设备的地域分散性, 以及监控与控制等任务对实时性的要求, 不同设备之间现场交互性信息的传递越来越多。但传统的工业控制系统软件存在着一些问题。不具备开放性，各个部分的联系过于紧密，使系统过于复杂。这样使系统的更新、扩展和升级变得非常困难，对系统任何一部分的变动都有可能对其它部分造成影响，从而导致大量且烦琐的软件和硬件的修改。不仅如此，软件的重复开发也成了传统的工业控制软件开发中的另一个主要问题，软件不能复用，资源无法共享，造成大量的人力与物力资源的浪费[1]。
由于传统工业控制系统的带来的不便，造成形成了大量的“信息孤岛”,但是，对于工业控制而言，各站点之间不是孤立的，它们必须互相配合、协调才能保证产品质量和实现连续生产，这就需要各站点能相互通信。另外，上级管理网也需要与子站交互数据，以实现全局的监控和优化。然而，子站是采用不同开发平台、不同通讯协议组成的异构系统，可能由不同的厂家和个人开发。要为每种协议写一个转换接口或驱动是比较繁琐的，特别是在站点和协议较多的时候。因此，怎样有效集成数据，避免信息孤岛的出现，是工业控制领域中常遇到难点问题之一。
比较好的方法是各站点都采用标准协议进行数据通讯，而不必为每一种协议开发一个通讯接口。这方面的协议比较多，目前，较有影响的总线有：Modbus，CAN，LonWorks，Profibus等。MODBUS是一种全开放, 免费提供,非常容易理解和实施的协议, 从70 年代诞生以来,在制造业、电力、水电、冶金、矿山、交通、基础设施的工业领域中的数据采集和过程控制得到了广泛应用, 形成了一种事实上的工业标准。同时，随着计算机网络技术的迅速发展, 信息技术已逐步进入工业自动化领域。现在，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，而且抗干扰性能提高了，系统配置的灵活性也得到增加了，节省了硬件投资，已经是未来生产自动化和过程控制的发展方向。
液体流量监测作为当今工业生产的重要环节，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，国外液体流量发展迅速，并在智能化、自适应等方面取得显著成果。在这方面，以口本、欧美等国的技术领先，生产出了多品种、全系列，多规格的流量测控器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外液体流量测控系统及仪表正朝着高精度、智能化，寿命长等方面快速发展。
1.2本文的主要研究内容
本文主要通过软件编程，编写上下位机程序，实现一个基于Modbus协议的液体流量监测平台。本文首先需要为课题的实现构建一个模型，对于该课题而言，应想到怎样在一台设备上实现MODBUS更注重的是思想和模型的建立，便于在实际工业生产中实现讨论时具体运用。本课题首先是实现上下位机的通信，本文是选择一台下位机，以探讨平台的建立的可行性，然后再后续研究中探讨不只一台设备，继而两台设备间的通信模型，最后到多台设备的通信结构，实现通讯组网。
对于流量测定，本文选择的是涡轮流量计。采用涡轮进行测量的流量计，它是先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。于是再设计下位机程序，使用单片机编写检测频率的程序，实现检测监控频率的变化即可。
然后再此原理上，编写上位机程序，本文选择C#语言，在VS2010平台上编写程序，实现上下位机信息通讯。上位机通过实时图形和数字量显示流量的变化，并设计数据库，保存此前流量的记录。此外，还对流量设定应有的上限和下限，有报警保护功能。最后对整个课题的实现进行一个总结，带给读者一个实现该课题的基本框架，以及在实现该课题过程中自己的一些见解以、疑问及学到的知识和技术。提出自己对该项技术的展望，以及这项技术的发展前景。
本章小结
本章主要介绍了基于Modbus通讯协议液体流量测试平台的研究背景，并介绍了本人在面对此课题时的设计思路和想法，再简单介绍流量监测的传感器和相关原理后，继而介绍了本文接下来所要做的工作，自己的感悟和对未来的展望。第2章 设计方案
2.1方案论述
因为本文采用涡轮流量计的原理进行流量的监控和测试平台的设计，所以在设计当中，我们选用更方便的信号发生器，作为频率的发出端，进而模拟流量的变化，此设计方式方便研究，更有可操作性，也有利于直接讨论实际的流量变化情况。在信号发生器一端，可采用比较器，矫正电平可能的干扰。单片机选用性价比较高的STC89C52，51系列单片机对实现测量外部变化频率的功能上，完全可行，程序也简单可行。RS232通讯电路实现节点和PC的Modbus通讯，并在调试时作为ISP烧录程序的接口。显示电路使用NOKIA5110实现液晶显示，方便清晰显示现场流量数值变化。同时，C#上位机程序设计了数据库，可方便对流量数据进行保存，方便数据分析。在现场流量超过设定的上下限时，蜂鸣器进行报警，警示灯会亮。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
2.2 方案论证
2.2.1通讯可靠性
本设计中，实现通讯的物理层有RS232电路和RS485电路两部分。RS232主要是单节点和上位机的通讯，它的通讯速率预设不高于9600b/s，适用于距离小于15米的户内布线，电磁干扰也会较小，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电路是另一种串口通信，适用于节点之间的通讯，其通讯速率预设低于1Mb/s，适用于距离小于1000米的户外布线，当然，这也就存在雷击、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，必须考虑到抗雷击、抗浪涌冲击以及过压保护。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LRC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监测流量电路选择
流量检测选择的原则：在满足设计要求的基础上，遵循设计的简单可靠，电路的性价比要高。目前流量传感器的种类繁多，考虑到本文更偏重测试平台的建立，以及结合现有实验室元件，最初确定了采用涡流原理的流量计。
图2-2 涡轮流量计
涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时，在流体的作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，即电脉冲信号，此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。涡轮流量计具有精度高、重复性好、无零点漂移、高量程比等优点。涡轮流量计拥有高质量轴承、特别设计的导流片，因此极大降低了磨损，对峰值不敏感，甚者恶劣的条件下也可以给出可靠的测量变量。涡轮流量计输出信号为脉冲，易于数字化。
此脉冲信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：Q=3600×f/k
式中：
f——脉冲频率[Hz]；
k——传感器的仪表系数[1/m]，由校验单给出。若以[1/L]为单位Q=3.6×f/k
Q——流体的瞬时流量（工作状态下）[m3/h]；
3600——换算系数。
所以在了解到涡轮流量计如此功能后，本文根据此原理，也方便了程序的编写，使之完全可以满足设计要求，并且通过单片机的外部中断实现频率的测定，即可实现流量检测，方法简单、可靠[2]。
2.2.3最小系统电路选择
本文在测频率中需要用到单片机，而当今信息时代，单片机的发展非常迅速，市场上存在着各式各样的单片机，有51系列，430，XS128等。如何选择单片机，并制作最小系统板成了本设计首要考虑。
由于本设计要求功能相对简单，因而选择51系列单片机，已经能够满足本设计要求。本文选择STC89C52单片机构成最小系统，采用外部中断引脚接信号发生器的方式测量频率。
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机
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