基于Modbus的涡轮流量测量系统
基于Modbus的涡轮流量测量系统[20191215172333]
摘 要
工业生产中，对流体的测量一直是重要的课题。准确地测量流量，不仅可以提高生产效率，还能保证安全生产。基于MODBUS协议的现场总线，通信可靠，成本低，已成为工业领域的主流模式。本课题选择涡轮流量计作为研究对象，并且建立了具有Modbus协议的通讯系统，对实时流量进行监控。
本课题主要研究了基于Modbus的涡轮流量测量系统，针对目前流量系统监控难度较大，精度不高等问题，提出了采用频率采集监控方法，设计了一套基于嵌入式单片机STC89C52的流量测量系统。系统主要包括以下模块：信号处理模块，频率采集模块，Modbus通信协议模块，LCD液晶屏显示模块，上位机监控模块等。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序，频率采集程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统能够实现对流量的测量，并且能够读取单片机中的流量数据，实现了通过单片机对系统的监控。
本课题综合运用了嵌入式技术，自动控制理论和通信理论。完成了具有通信可以被监控的涡轮流量计。
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关键字:字涡轮流量计；单片机；Modbus协议
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 课题研究现状和发展趋势 2
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势 2
1.2.2 现场总线研究现状和发展趋势 3
1.3 课题研究主要内容 4
第2章 总体设计方案 6
2.1 涡轮流量测量原理 6
2.2 涡轮流量计总体设计方案 7
2.3 本章小结 8
第3章 涡轮流量测量系统硬件设计 9
3.1 流量信号处理电路设计 9
3.1.1信号放大器 9
3.1.2过零比较器 11
3.2 流量信号采集系统设计 13
3.3 液晶显示模块设计 14
3.4 测量系统供电模块设计 17
3.5 本章小结 20
第4章 涡轮流量计测量系统下位机软件设计 21
4.1 信号采集模块程序设计 21
4.2 涡轮流量计应用层协议的实现 22
4.2.1 Modbus ASCⅡ协议分析 22
4.2.2 Modbus消息帧 23
4.2.3 应用层协议功能设计 26
4.3 显示模块程序设计 28
4.4本章小结 29
第5章 涡轮流量计测量系统监控软件设计 30
5.1 监测中心通信程序设计 30
5.1.1 SerialPort类 30
5.1.2 SerialPort编程 31
5.2 监测中心数据库设计 33
5.2.1 数据库连接 33
5.2.2 数据库数据查询 34
5.3 监测中心人机交互界面设计 35
5.4 本章小结 36
第6章 系统调试 37
6.1 信号采集模块调试 37
6.2 显示模块调试 37
6.3 通信模块调试 38
6.4 综合调试 39
6.5 本章小结 39
第7章 总结与展望 40
7.1 总结 40
7.2 展望 40
参考文献 41
附录一 外文翻译 43
附录二 实物图 56
附录三 部分源程序 58
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
流量计在各行各业中都有很大的作用特别是工业，它是数据的重要来源。涡轮流量计是其中之一，它经济领域、国防领域、科学研究范畴发挥着不可或缺的作用。做好流量检测工作,对工业产业,刺激生产力增长，降低能耗,促进科学技术的发展都具有重要的作用,特别是在能源危机、可持续发展和全面建设小康社会的背景下,流量计量在经济贡献中将扮演重要的角色。
流量计应用范围非常广泛，包括工业，农业，外贸，国防和科技发展研究等。
石油领域，不管开采、加工，冶炼和销售流量计都起来不小的作用。石油配方的调制，如果比例不对，将无法保证个产品的质量。电力行业，需要对设备及环境里的液体，气体，蒸汽的测量和调节都离不开流量测量仪表。流量计量的准确性将保证发电厂在最佳参数下运行，经济效益得到有效提高。并且伴随科技进步，高温高压大容量机组渐渐成为主流,流量在保护电厂安全方面起到很大作用。国防建设方面，火箭使用的液态高能燃料成本高昂，用量重量都需要严格标定，不仅仅是浪费还关系到火箭发射是否成功的问题。
改革开放以来，先后有涡轮流量计、电磁流量计、容积流量计、速度式流量计、超声波流量计等几十种新型流量计被研制出来并投入使用。其中涡轮流量计具有高量程比、精度高、无零点漂移、重复性好、结构紧凑等优点。高质量的轴承、特别的导流片，极大地降低了磨损，更好的保护流量计延长寿命。其对峰值的不敏感，让流量计在恶劣的条件下也给出准确的测量。输出信号为脉冲，易于数字化，可被市场上的大多数的微控制器采集，应用平台可适应性强。涡轮流量优点是流量测量时对流体流速影响小，叶片如果耐腐蚀性良好，测量范围大大增加粘质介质和腐蚀流体都可以测量。涡轮流量计普遍在各方面广泛被利用：石油、有机液体、液化气、天然气、无机液和低温流体。
Modbus是Modicon公司在1978年发明的，一个飞跃的、标志式的网络协议就此诞生，工业现场网通信网络走上历史的舞台。Modbus是全球第一个真正应用于工业现场总线的协议[1]。现在，Modbus节点安装已经遍及世界各地，其产品很多公司都有应用，由于期普遍程度，事实上已经成为一种协议标准。Modbus的成功可以总结为3个方面。第一，标准且开放，用户免费地、放心地使用该协议，不用缴纳许可费不涉及侵权。提供Modbus技术支撑的供应商有400家以上，600多种产品兼容Modbus[2]。第二，Modbus是针对消息格式的规范，支持RS232、RS422、RS485等，能在多种媒介上传输，如：双绞线，光纤，无线光纤等。Modbus搭建不需要特殊硬件就能运行，完全没有硬件门槛和技术限制[3]。这保证了Modbus产品的低成本。第三，Modbus协议的帧格式简单却高效，为最简单凝练的现场总线式规范。
Modbus在现场总线应用的多年实践，证明了其准确故障少的通信能力。随着科技的发展，Modbus衍生了传输层的TCP协议，扩展了其与其他网络的兼容性和可移植性[4]。他不仅在局域网里使用，还兼容了经典的网络协议HTTP。厂商施耐德公司承诺硬件不特殊化。Modbus的以太网络速度大大提高，有10M级和100M级传输速率。
涡轮流量计和Modbus协议都是主流的工业仪器及工业技术，它的结合具有很高的推广价值。
1.2 课题研究现状和发展趋势
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势
科技发展的日新月异，流量级的制造技术也是快速发展。电子控制技术飞速发展，流量计的设计方式设计思路也是越来越广。流量计逐渐向着智能化发展。流量计的应用范围也越来越广，随着各种传感器的发展，测量误差越来越小，可测介质的限定也越来越小，测量范围也有巨大的提升。
由于我国工业的快速发展，对流量计需求也越来越迫切。流量技术在这种需求下也是应时事而快速增长。以下为各种流量计近增长图表。
表1.1 各种流量计近增长图表
品种 2003年（万台） 2005年（万台 增长率（%）
电磁式 3.4 4.5 32.4
涡轮式 2.8 3.1 10.7
科里奥利式 2.8 3.3 17.8
流量计跟随科技的发展必定会不断完善，流量计是不可或缺的。流量计的发展方向必定是应用范围更广，准确性越来越高，适应恶劣条件的能力越来越强。二随着通讯技术和计算机技术的飞速发展。流量计必定向着高度智能化及更强的通讯交互控制能力的方向发展。
1.2.2 现场总线研究现状和发展趋势
现场总线(Fieldbus)是指开放式、标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制模块的通信网络[6]。现场总线的思想改变了原有的控制体系结构，现场总线多以计算机、微电子、网络技术为基础，代表了突破意义的控制思想极大地推动整个工业领域的技术进步，在全面实现工业自动化的道路上影响积极而深远。淘汰了模拟数字结合的方式，变为高度数字化控制网络。现场总线不仅应用在最低层的系统中，而是贯穿在总个工业过程。现在各种中小系统甚至是大型系统上也有应用。现场总线综合和当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术，通信技术和自动化控制技术的高度体现[7]。以控制策略为中心，应用标准的编程语言和全面的通信功能，使现场总线控制系统成为执行控制命令的最得力的手段，因为其技术优势优异突出，是工业控制发展的必然趋势，取代传统的控制方法只是时间问题。
现场总线线在种类繁多，很多公司纷纷提出自己的线场总线规范，希望成为全球的通讯标准。现已有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，应用广泛句影响力的有5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks。[8]
Modbus传输协议规定了自己帧信息结构，不必受到网络拓扑结构的影响，规定了应答方式和错误报告。Modbus有两种传输方式，分别为RTU和ASCⅡ方式。Modbus规定了主从站，主站只下可以有247个从站，从站有自己的编码，从站完全被动接收主站信息[9]。Modbus有自己的错误校验位，RTU的CRC校验和ASCⅡ的LRC校验。MODBUS不仅定义通信功能码，同时还定义了出错码，有效帮助了通信主站发现通信错误，并采取相应措施，从而保证了通信的可靠进行[10]。
CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）由德国BOSCH开发，它多数用于离散控制领域，ISO国际标准组织认证其总线规范为国际标准，Intel、Motorola、NEC等公司都支持这个规范。[11]CAN协议有二层：物理层和数据链路层。CAN的信号采用短帧结构传输，传输时间短，可以实现自动关闭功能，抗干扰能力比较突出。CAN支持多主机工作方式，采用非破坏性总线仲裁技术，设置通信优先级减少数据丢失和冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。[12]目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。[13]
现场总线是一种正在发展的技术，在过程控制领域对其要求是：(1)实时性强延时低，保证数据没有错误和不确定性；(2)消除本安防爆对总线中节点数和传输长度的影响，深人开展现场总线本安概念研究；(3)实现控制可现场化和数据现场处理的能力。[14]以上3点将是线场总线的研究和发展的主要方向。实时性和上下位机反馈控制是以太网在工业现场应用的重大课题，影响工业总线发展的重要方向。随着Ethernet技术飞速发展，介入控制已成为现实。Ethernet的主要特点是：数字式网路通信、开放性、可操作性和高效强大的网络功能。网络功能为系统提供实时性、可靠性等保障。而开放性十分重要，对系统的适应性和可移植性都有良好的支持。Ethernet是主流的计算机通信技术之一，广泛的技术支持使其更好的被开发，经过多年的实践，软、硬件资源和开发设计也变得日渐比较成熟。在以太网上层应用的Modbus TCP/IP协议也已开发较成熟；一般的PC机均提供以太网接口，TCP/IP协议也成为各各操作系统上标准的协议配置；价格低廉是以太网适配器及其相关产品教大优势，Profibus、FF等现场总线网卡较之显得十分昂贵；而且许多现场总线标准已向上支持以太网，其中主流现场总线FF于2000年3月宣布用以太网增强H2的方案[13]。兼容Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用的技术集中点。
摘 要
工业生产中，对流体的测量一直是重要的课题。准确地测量流量，不仅可以提高生产效率，还能保证安全生产。基于MODBUS协议的现场总线，通信可靠，成本低，已成为工业领域的主流模式。本课题选择涡轮流量计作为研究对象，并且建立了具有Modbus协议的通讯系统，对实时流量进行监控。
本课题主要研究了基于Modbus的涡轮流量测量系统，针对目前流量系统监控难度较大，精度不高等问题，提出了采用频率采集监控方法，设计了一套基于嵌入式单片机STC89C52的流量测量系统。系统主要包括以下模块：信号处理模块，频率采集模块，Modbus通信协议模块，LCD液晶屏显示模块，上位机监控模块等。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序，频率采集程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统能够实现对流量的测量，并且能够读取单片机中的流量数据，实现了通过单片机对系统的监控。
本课题综合运用了嵌入式技术，自动控制理论和通信理论。完成了具有通信可以被监控的涡轮流量计。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字涡轮流量计；单片机；Modbus协议
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 课题研究现状和发展趋势 2
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势 2
1.2.2 现场总线研究现状和发展趋势 3
1.3 课题研究主要内容 4
第2章 总体设计方案 6
2.1 涡轮流量测量原理 6
2.2 涡轮流量计总体设计方案 7
2.3 本章小结 8
第3章 涡轮流量测量系统硬件设计 9
3.1 流量信号处理电路设计 9
3.1.1信号放大器 9
3.1.2过零比较器 11
3.2 流量信号采集系统设计 13
3.3 液晶显示模块设计 14
3.4 测量系统供电模块设计 17
3.5 本章小结 20
第4章 涡轮流量计测量系统下位机软件设计 21
4.1 信号采集模块程序设计 21
4.2 涡轮流量计应用层协议的实现 22
4.2.1 Modbus ASCⅡ协议分析 22
4.2.2 Modbus消息帧 23
4.2.3 应用层协议功能设计 26
4.3 显示模块程序设计 28
4.4本章小结 29
第5章 涡轮流量计测量系统监控软件设计 30
5.1 监测中心通信程序设计 30
5.1.1 SerialPort类 30
5.1.2 SerialPort编程 31
5.2 监测中心数据库设计 33
5.2.1 数据库连接 33
5.2.2 数据库数据查询 34
5.3 监测中心人机交互界面设计 35
5.4 本章小结 36
第6章 系统调试 37
6.1 信号采集模块调试 37
6.2 显示模块调试 37
6.3 通信模块调试 38
6.4 综合调试 39
6.5 本章小结 39
第7章 总结与展望 40
7.1 总结 40
7.2 展望 40
参考文献 41
附录一 外文翻译 43
附录二 实物图 56
附录三 部分源程序 58
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
流量计在各行各业中都有很大的作用特别是工业，它是数据的重要来源。涡轮流量计是其中之一，它经济领域、国防领域、科学研究范畴发挥着不可或缺的作用。做好流量检测工作,对工业产业,刺激生产力增长，降低能耗,促进科学技术的发展都具有重要的作用,特别是在能源危机、可持续发展和全面建设小康社会的背景下,流量计量在经济贡献中将扮演重要的角色。
流量计应用范围非常广泛，包括工业，农业，外贸，国防和科技发展研究等。
石油领域，不管开采、加工，冶炼和销售流量计都起来不小的作用。石油配方的调制，如果比例不对，将无法保证个产品的质量。电力行业，需要对设备及环境里的液体，气体，蒸汽的测量和调节都离不开流量测量仪表。流量计量的准确性将保证发电厂在最佳参数下运行，经济效益得到有效提高。并且伴随科技进步，高温高压大容量机组渐渐成为主流,流量在保护电厂安全方面起到很大作用。国防建设方面，火箭使用的液态高能燃料成本高昂，用量重量都需要严格标定，不仅仅是浪费还关系到火箭发射是否成功的问题。
改革开放以来，先后有涡轮流量计、电磁流量计、容积流量计、速度式流量计、超声波流量计等几十种新型流量计被研制出来并投入使用。其中涡轮流量计具有高量程比、精度高、无零点漂移、重复性好、结构紧凑等优点。高质量的轴承、特别的导流片，极大地降低了磨损，更好的保护流量计延长寿命。其对峰值的不敏感，让流量计在恶劣的条件下也给出准确的测量。输出信号为脉冲，易于数字化，可被市场上的大多数的微控制器采集，应用平台可适应性强。涡轮流量优点是流量测量时对流体流速影响小，叶片如果耐腐蚀性良好，测量范围大大增加粘质介质和腐蚀流体都可以测量。涡轮流量计普遍在各方面广泛被利用：石油、有机液体、液化气、天然气、无机液和低温流体。
Modbus是Modicon公司在1978年发明的，一个飞跃的、标志式的网络协议就此诞生，工业现场网通信网络走上历史的舞台。Modbus是全球第一个真正应用于工业现场总线的协议[1]。现在，Modbus节点安装已经遍及世界各地，其产品很多公司都有应用，由于期普遍程度，事实上已经成为一种协议标准。Modbus的成功可以总结为3个方面。第一，标准且开放，用户免费地、放心地使用该协议，不用缴纳许可费不涉及侵权。提供Modbus技术支撑的供应商有400家以上，600多种产品兼容Modbus[2]。第二，Modbus是针对消息格式的规范，支持RS232、RS422、RS485等，能在多种媒介上传输，如：双绞线，光纤，无线光纤等。Modbus搭建不需要特殊硬件就能运行，完全没有硬件门槛和技术限制[3]。这保证了Modbus产品的低成本。第三，Modbus协议的帧格式简单却高效，为最简单凝练的现场总线式规范。
Modbus在现场总线应用的多年实践，证明了其准确故障少的通信能力。随着科技的发展，Modbus衍生了传输层的TCP协议，扩展了其与其他网络的兼容性和可移植性[4]。他不仅在局域网里使用，还兼容了经典的网络协议HTTP。厂商施耐德公司承诺硬件不特殊化。Modbus的以太网络速度大大提高，有10M级和100M级传输速率。
涡轮流量计和Modbus协议都是主流的工业仪器及工业技术，它的结合具有很高的推广价值。
1.2 课题研究现状和发展趋势
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势
科技发展的日新月异，流量级的制造技术也是快速发展。电子控制技术飞速发展，流量计的设计方式设计思路也是越来越广。流量计逐渐向着智能化发展。流量计的应用范围也越来越广，随着各种传感器的发展，测量误差越来越小，可测介质的限定也越来越小，测量范围也有巨大的提升。
由于我国工业的快速发展，对流量计需求也越来越迫切。流量技术在这种需求下也是应时事而快速增长。以下为各种流量计近增长图表。
表1.1 各种流量计近增长图表
品种 2003年（万台） 2005年（万台 增长率（%）
电磁式 3.4 4.5 32.4
涡轮式 2.8 3.1 10.7
科里奥利式 2.8 3.3 17.8
流量计跟随科技的发展必定会不断完善，流量计是不可或缺的。流量计的发展方向必定是应用范围更广，准确性越来越高，适应恶劣条件的能力越来越强。二随着通讯技术和计算机技术的飞速发展。流量计必定向着高度智能化及更强的通讯交互控制能力的方向发展。
1.2.2 现场总线研究现状和发展趋势
现场总线(Fieldbus)是指开放式、标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制模块的通信网络[6]。现场总线的思想改变了原有的控制体系结构，现场总线多以计算机、微电子、网络技术为基础，代表了突破意义的控制思想极大地推动整个工业领域的技术进步，在全面实现工业自动化的道路上影响积极而深远。淘汰了模拟数字结合的方式，变为高度数字化控制网络。现场总线不仅应用在最低层的系统中，而是贯穿在总个工业过程。现在各种中小系统甚至是大型系统上也有应用。现场总线综合和当代工业数字通信的前沿技术，是计算机技术，通信技术和自动化控制技术的高度体现[7]。以控制策略为中心，应用标准的编程语言和全面的通信功能，使现场总线控制系统成为执行控制命令的最得力的手段，因为其技术优势优异突出，是工业控制发展的必然趋势，取代传统的控制方法只是时间问题。
现场总线线在种类繁多，很多公司纷纷提出自己的线场总线规范，希望成为全球的通讯标准。现已有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，应用广泛句影响力的有5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks。[8]
Modbus传输协议规定了自己帧信息结构，不必受到网络拓扑结构的影响，规定了应答方式和错误报告。Modbus有两种传输方式，分别为RTU和ASCⅡ方式。Modbus规定了主从站，主站只下可以有247个从站，从站有自己的编码，从站完全被动接收主站信息[9]。Modbus有自己的错误校验位，RTU的CRC校验和ASCⅡ的LRC校验。MODBUS不仅定义通信功能码，同时还定义了出错码，有效帮助了通信主站发现通信错误，并采取相应措施，从而保证了通信的可靠进行[10]。
CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）由德国BOSCH开发，它多数用于离散控制领域，ISO国际标准组织认证其总线规范为国际标准，Intel、Motorola、NEC等公司都支持这个规范。[11]CAN协议有二层：物理层和数据链路层。CAN的信号采用短帧结构传输，传输时间短，可以实现自动关闭功能，抗干扰能力比较突出。CAN支持多主机工作方式，采用非破坏性总线仲裁技术，设置通信优先级减少数据丢失和冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。[12]目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。[13]
现场总线是一种正在发展的技术，在过程控制领域对其要求是：(1)实时性强延时低，保证数据没有错误和不确定性；(2)消除本安防爆对总线中节点数和传输长度的影响，深人开展现场总线本安概念研究；(3)实现控制可现场化和数据现场处理的能力。[14]以上3点将是线场总线的研究和发展的主要方向。实时性和上下位机反馈控制是以太网在工业现场应用的重大课题，影响工业总线发展的重要方向。随着Ethernet技术飞速发展，介入控制已成为现实。Ethernet的主要特点是：数字式网路通信、开放性、可操作性和高效强大的网络功能。网络功能为系统提供实时性、可靠性等保障。而开放性十分重要，对系统的适应性和可移植性都有良好的支持。Ethernet是主流的计算机通信技术之一，广泛的技术支持使其更好的被开发，经过多年的实践，软、硬件资源和开发设计也变得日渐比较成熟。在以太网上层应用的Modbus TCP/IP协议也已开发较成熟；一般的PC机均提供以太网接口，TCP/IP协议也成为各各操作系统上标准的协议配置；价格低廉是以太网适配器及其相关产品教大优势，Profibus、FF等现场总线网卡较之显得十分昂贵；而且许多现场总线标准已向上支持以太网，其中主流现场总线FF于2000年3月宣布用以太网增强H2的方案[13]。兼容Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用的技术集中点。
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