基于MODBUS协议的智能仪表的设计

论文摘要

随着工业生产规模的不断扩大,生产过程对集中监控的要求也日趋迫切,这就需要现场检测控制仪表具有较强的远距离通讯功能,而现场总线的产生满足了此需要。Modbus总线由于其开发成本低,简单易用等特点目前已经广泛应用于工业现场,通过Modbus总线,可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络,进行集中监控。本论文根据智能仪表发展的需求,提出了一套基于C8051F020和Modbus协议的智能仪表的解决方案,并对其硬件和软件进行了详细的设计和开发。本课题硬件选用C8051F020单片机为控制器,C8051F020具有12位的8通道ADC0,可同时采集八路模拟量,从而减少了仪表的使用数量。同时本课题采用以T6963C为控制器的LCD显示模块完成动态显示采集到的数据及运行曲线。扩展存储器采用带时钟的非易失性存储器FM31256,它不仅保证了实时数据的掉电保持而且还提供了系统时钟,克服了传统方案采用分立器件造成的电路复杂、成本高等缺点。此外,该仪表具有支持Modbus协议的RS485串行通信接口,可将自身的状态、现场参数等传给监控主机。仪表硬件还采用多种抗干扰措施,提高了系统的稳定性。本课题还对显示模块、存储器扩展以及通讯模块等软件进行了开发。通过实际运行表明,该总线型智能仪表改善了传统工业仪表的数据显示和通讯方式,并且其稳定性、实时性以及精度都优于传统仪表。基于此仪表的控制系统在容错处理、数据交换、系统管理、抗干扰等方面都优于传统仪表。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义和目的
• 1.2 国内工业仪表的发展现状
• 1.3 现场总线简介
• 1.3.1 现场总线定义
• 1.3.2 几种常见的现场总线
• 第二章 Modbus通讯协议
• 2.1 Modbus协议简介
• 2.2 Modbus在串行链路上的实现
• 2.3 Modbus协议帧
• 2.3.1 ASCII帧格式
• 2.3.2 RTU帧格式
• 2.4 地址码
• 2.5 功能码
• 2.6 错误码
• 2.7 数据段
• 2.8 错误检测
• 2.9 小结
• 第三章 基于Modbus协议的控制系统
• 3.1 基于Modbus协议的控制系统
• 3.1.1 系统概述
• 3.1.2 系统结构
• 3.1.3 系统工作原理
• 3.2 小结
• 第四章 Modbus智能仪表的硬件设计
• 4.1 硬件电路系统总体设计
• 4.1.1 设计原则
• 4.1.2 硬件系统组成及器件选型
• 4.2 智能仪表硬件设计
• 4.2.1 硬件核心电路设计
• 4.2.2 显示模块电路设计
• 4.2.3 存储器扩展与时钟电路设计
• 4.2.4 模拟量采集处理模块设计
• 4.2.5 通讯模块设计
• 4.2.6 电源电路设计
• 4.2.7 调试接口电路设计
• 4.2.8 开关量输出模块设计
• 4.2.9 键盘及复位电路设计
• 4.2.10 模拟量输出模块
• 4.3 硬件抗干扰设计
• 4.4 小结
• 第五章 Modbus智能仪表的软件设计
• 5.1 开发环境介绍
• 5.2 软件总体设计
• 5.3 系统初始化程序设计
• 5.4 模拟量采集处理程序设计
• 5.5 显示驱动程序设计
• 5.6 存储器和时钟程序设计
• 5.7 控制算法设计
• 5.8 小结
• 第六章 系统Modbus通信实现
• 6.1 智能仪表通信设计
• 6.1.1 串口中断服务程序设计
• 6.1.2 接收消息帧处理程序设计
• 6.1.3 回送消息帧程序设计
• 6.2 上位机监控软件设计
• 6.3 软件设计中一些心得
• 6.4 小结
• 第七章 Modbus智能仪表调试
• 7.1 智能仪表调试
• 7.1.1 电源、时钟和复位电路
• 7.1.2 CPU和JTAG电路
• 7.1.3 RS485电路
• 7.1.4 实时时钟和存储器扩展电路
• 7.1.5 LCD液晶显示
• 7.1.6 模拟量和开关量电路
• 7.2 Modbus通信调试
• 7.2.1 PC机通信程序调试
• 7.2.2 智能仪表通信程序的调试
• 7.2.3 Modbus通信系统的现场测试
• 7.3 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 附录
• 附录1 智能仪表实物图
• 附录2 部分C51源代码
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文