基于Modbus的数据采集终端设计

基于Modbus的数据采集终端设计
摘要本论文论述了基于Modbus的数据采集终端的软硬件设计。

系统包括微控制器、AD 模块、显示模块和通信模块。

以AT89S52为主控芯片，PCF8591实现AD转换，LED数码管实现数据的显示。

实现数据采集、显示的功能，并作为从站通过Modbus实现与上位PC机的通信。

完成了硬件设计与软件开发，并进行了系统调试。

关键词Modbus协议 AT89S52 数据采集串口通信
Design of Data Acquisition Terminal Based on Modbus
Abstract: This paper introduces the hardware and software design of thedata acquisition terminal based on Modbus. The system includes a micro controller, AD module, display module and communicationmodule. Using AT89S52 as the main control chip, PCF8591 realize AD conversion, LED digital tube display data. Realization of data acquisition, display function, and as from the station tocommunicate with the upper PC machine by Modbus. Completed the hardware design and software development, and debug the system.
Key words:Modbus Protocol; AT89S52; Data Collection; Serial Communications
目录
引言 (1)
第一章绪论 (3)
1.1 论文的背景及意义 (3)
1.2 论文的主要内容该 (4)
第二章数据采集系统简介 (6)
2.1 数据采集系统 (6)
2.2系统通迅方式 (6)
第三章硬件设计 (8)
3.1 总体设计 (8)
3.2单片机及其最小系统 (8)
3.3 AD模块 (11)
3.4串口模块 (13)
3.5显示模块 (13)
第四章软件设计 (16)
4.1 KeilUvision4简介 (16)
4.2 总体设计 (16)
4.3 AD模块 (16)
4.4显示模块 (18)
4.5 Modbus协议的实现 (19)
第五章系统调试 (22)
5.1 protues仿真调试 (22)
5.2实物调试 (22)
总结 (24)
致谢 (24)
参考文献 (25)
附录 (26)
引言
数据采集是指将温度、电压、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

在生产过程中，可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段。

在科学研究中，可对应用数据进行采集，从而获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。

数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，应尽可能的提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。

随着现代电子技术的飞速发展，数据采集技术也日新月异，特别是小型化、便携式解决方案在数据采集中开始占据越来越大的比重，并越来越多地倾向于低电压、低功耗、微型化设计，有的小型数据采集器甚至小到可以放进衬衫口袋里。

目前，一些市场上出售的小型数据采集器实际上就是全功能的计算机。

它们功能强大，具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能；为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，并能方便输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。

因此，根据当前数据采集发展的实际情况，研制开发符合生产需要的数据采集器具有一定的现实意义。

当采集的数据发送给上位机时，需要有相应的协议进行控制，而目前工业中经常采用的一种协议为Modbus协议。

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,控制器相互之间可以通信,它已经成为一种通用工业标准。

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。

根据Modbus在工业中的应用我们可以通过Modbus协议使单片机与PC机进行
串行传输，从而很容易地从采集系统中观测到实时数据，并在PC机上显示出来。

本文主要介绍是基于Modbus协议下的数据采集器设计，能实现信号的采集与显示，并能够支持Modbus协议实现与上位机的通信。

第一章绪论
1.1 论文的背景及意义
近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。

由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。

大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。

由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。

从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。

该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。

这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。

第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。

20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。

由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。

数据采集技术已
经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。

该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。

相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。

这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。

1.2 论文的主要内容该
数据采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。

它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。

数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。

随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。

数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。

传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。

本系统包括上下位机两个部分，下位机负责模拟数据的采集,从单片机负责采集电压信号，并应答主机发送的命令，上位机即主机是负责处理接受过来的数字量的处理及显示，主机和从机之间以Modbus协议进行通信。

这样用户可以在上位机上编写各种程序对文件中的数据进行有效查询和分析,有利于工业过程的长
期正常运行和检查。

本文主要完成下位机即数据采集终端的设计开发，包括AD 转换模块、显示模块和通信模块。

实现数据采集功能，并支持Modbus协议，作为从设备与主设备通信。

第二章数据采集系统简介
2.1 数据采集系统
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。

数据采集技术广泛引用在各个领域。

数据采集系统包括上下位机，其中，上位机完成终端管理、通信请求、数据处理、人机界面等功能。

下位机接收上位机的命令请求，进行数据采集并响应。

一般可采用PC机来充当上位机。

采集终端作为下位机负责信号的采集转换、LED显示、通过串行口与上位机通讯。

数据采集系统结构图如图2－1所示；
图2－1 数据采集系统结构图
2.2系统通迅方式
数据采集系统上下位机之间的通信有多种方式可供选择，现在常采用的现场总线技术，比如说 CAN、profibus、Modbus等。

CAN的特点；能完成对通信数据的成帧处理，使网络内的节点个数在理论上不受限，可在各节点之间实现自由通，结构简单且传输距离长和速率快。

CAN 总线支持多主控制，支持非破坏性的总线仲裁。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

Modbus是一种简单的串行链路通信协议，在工业现场有着广泛的应用。

常用的Modbus通讯规约有两种，一种是Modbus ASCII，一种是Modbus RTU。

一般来说，通讯数据量少而且主要是文本的通讯则采用Modbus ASCII规约，通讯数据量大而且是二进制数值时，采用Modbus RTU规约。

标准的Modbus口是使用RS-232-C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。

控制器能直接或经由Modem组网。

控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。

其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

典型的主设备：主机和可编程仪表。

典型的从设备：可编程控制器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。

如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。

Modbus 协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。

如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

Modbus具有如下特点；（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus 协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。

目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。

（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。

用户使用容易，厂商开发简单。

第三章硬件设计
3.1 总体设计
设计一个数据采集终端。

该设备包括AD转换模块、显示模块和通信模块，实现数据采集功能，并支持Modbus协议，作为从设备与主设备通信。

其中AD 转换模块是用来将采集的模拟信号量转换成模拟数字量，通过LED数码管显示采集到的信号值，再利用Modbus协议来进行主从设备的通信。

系统结构如图3－1所示；
图3－1系统结构图
3.2单片机及其最小系统
一、单片机的概述
单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。

总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。

二、AT89C52简介
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合
AT89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

其引脚图，如图3－2所示
图3－2 AT89C52的引脚图
它一共有40个引脚，引脚又分为四类。

其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。

工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。

还有两个时钟引脚XTAL1、XTAL2。

还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（I\O）引脚。

最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位
功能。

综上所述，单片机的引脚特点是：
1、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。

2、单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线；P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。

AT89C52单片机的主要功能
●与MCS-51单片机产品兼容
● 8K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：0Hz～33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●三个16位定时器/计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
三、单片机最小系统
单片机最小系，或者称为最小应用系，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。

单片机接口电路主要用来连接计算机和其它外部设。

各功能模块的原理及功能如下:
单片机:AT89S52单片机。

晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率,用于有串口通讯的场合)。

复位电路:由电容串联电阻构成,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现
高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合R为4.7k,C为10uF的取值就可以保证可靠的复位。

(如图2－3 单片机最小系统原理图)
图3－3 单片机最小系统原理图
3.3 AD模块
A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。

位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。

A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。

按工作原理可分以下几种。

(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。

(2)双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。

(3)并行式A/D转换器：它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。

鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的
是逐渐逼近式ADDA转换器PCF8591
一、PCF8591的介绍
PCF8591 是具有 I2C总线接口的 8 位 A/D及D/A转换器。

有 4 路 A/D 转换输入，1路 D/A模拟输出。

这就是说，它既可以作 A/D 转换也可以作 D/A 转换。

A/D 转换为逐次比较型。

引脚图如图3－4
所示。

电源电压典型值为 5V
AIN0～AIN3：模拟信号输入端。

A0～A3：引脚地址端。

DD、VSS：电源端。

（2.5～6V）
SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。

OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。

EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT接地。

AGND：模拟信号地。

AOUT：D/A 转换输出端。

图3－4 PCF8591引脚
二、PCF8591与单片机的接线图
PCF8591与单片机的连接如图3－5所示。

它的A0.A1.A2是引脚地址端，用来指定该芯片在I2C总线中的地址。

将其接地就是把本片PCF8591的地址置0.VREF为基准电源端，在本系统中接+5V的电源。

AIN3、AIN2接两个电位器，传感器采集到的电压信号，此处用两个电位器模拟。

SCL为I2C时钟信号，接单
片机的P2.1，SDA为I2C的数据信号，接P2.0。

图3－5 PCF8591与单片机的接线图
3.4串口模块
本采集终端通过串口与上位PC机进行通信。

此处采用CH340T实现TTL转USB接口。

该芯片使用方便，可以通过在PC机上安装CH340T的驱动即可。

CH340T 具有的优点如下：
●全速USB设备接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。

●仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。

●计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。

●硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。

●支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

●通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

●支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。

●软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。

●支持5V电源电压和3.3V电源电压。

●提供SSOP-20和SOP-16无铅封装，兼容RoHS。

3.5显示模块
LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。

它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。

对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提
供具有一定驱动能力的位选和段选信号。

其内部结构如图3－6 所示，LED数码显示器有两种连接方式如下，本系统采用了共阴极接法。

（1）共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。

每个发光二极管的阳极与输入端相连。

如图3－7 所示（2）共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

如图3－8 所示
图3－6 LED内部结构图3－7 共阴极接法图3－8 共阳极接法
为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字的七段，再加上1个小数点位，共计八段。

各段位码位的对应关系如表3.9所示。

表3.9 段位码对应关系
段位
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
码
dp g f e d c b a 位码
段
LED数码管有静态显示方式和动态显示方式两种。

静态显示就是当数码管显示某个字符时，相应的段恒定的导通或截止，直到显示另一个字符为止。

LED数码管工作于静态显示方式时，各位的共阴极接地；若为共阳极则接+5V电源。

这种显示方式编程容易，管理也较简单，但占用I/O口线资源较多。

因此，在显示
位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。

本系统采用动态显示方式。

单片机的P0口即作为位码选择某个数码管的显示，同时也作为段码。

因此需要锁存器件。

将位码和段码分别锁存。

这里采用74HC573锁存器。

显示模块的原理图如图3－9所示。

其中，74573的~OE引脚接地，LE分别接P2.6和P2.7。

当LE为高电平时将P0口信号送到输出端，分别实现段码和位码。

图3－9 显示模块原理图
第四章软件设计
4.1 KeilUvision4简介
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些组合在一起。

Keil有以下几个特点：
1、全功能的源代码编辑器；
2、器件库用来配置开发工具设置；
3、项目管理器用来创建和维护用户的项目；
4、集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；
5、所有开发工具的设置都是对话框形式的；
6、真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器；
7、高级GDI(AGDI)接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信
4.2 总体设计
本论文软件设计部分编程环境选用Keil C51，选用C语言编程。

我们知道单片机的编程语言一般采用:汇编语言、C语言。

但是汇编语言程序是针对机器而设计的的低级语言。

它能使机器直接通过编译就能执行，具有执行快速，执行效率高的优点，但是它也有可读性较差，编程效率低等缺点，并且需要编程人员对处理器的指令和单片机的结构非常熟悉。

而C语言是一种高级语言，虽然它没有汇编语言那种高效率，但C语言具有丰富的库函数和类的封装，具有程序编写简单，可读性强，维护性好的特点。

4.3 AD模块
一、 PCF8591功能描述
1. 地址
I2C总线系统中的每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。

该地址包括固定部分和可编程部分。

可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2来设置。

在I2C总线协议中地址必须是起始条件后作为第一个字节发送。

地址字节的
最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位。

（见图4－1）
图4－1 地址
2.控制字
发送到PCF8591的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。

控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。

低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。

如果自动增量（auto-increment）标志置1，每次A/D转换后通道号将自动增加。

如果自动增量（auto-increment）模式是使用内部振荡器的应用中所需要的，那么控制字中模拟输出允许标志应置1。

这要求内部振荡器持续运行，因此要防止振荡器启动延时的转换错误结果。

模拟输出允许标志可以在其他时候复位以减少静态功耗。

选择一个不存在的输入通道将导致分配最高可用的通道号。

所以，如果自动增量（auto-increment）被置1，下一个被选择的通道将总是通道0。

两个半字节的最高有效位（即bit 7和bit 3）是留给未来的功能，必须设置为逻辑0。

控制寄存器的所有位在上电复位后被复位为逻辑0。

D/A转换器和振荡器在节能时被禁止。

模拟输出被切换到高阻态。