基于MODBUS協(xié)議智能控制系統(tǒng)設計

摘要：針對工業(yè)化生產(chǎn)的實際需求，改變工控儀表和控制器價格較高的現(xiàn)狀同時降低成本，設計了基于MODBUS協(xié)議的智能控制系統(tǒng)。下位機由AVR單片機實現(xiàn)基于MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)采集和顯示，再通過控制電路控制數(shù)據(jù)變量；上位機用VC++6．0編寫基于MODBUS協(xié)議的程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機界面顯示，并且將采集的數(shù)據(jù)值保存到SQLsever2000數(shù)據(jù)庫，同時繪制數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線圖，上下位機通過RS-485總線通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有一定實用價值。
關鍵詞：AVR單片機；MODBUS協(xié)議；VC++6．0；SQLsever2000；RS-485總線

O 引言
    現(xiàn)場總線作為生產(chǎn)過程自動化發(fā)展的重點，對推動自動化技術(shù)起到巨大的推動作用，是現(xiàn)代化工業(yè)的標志。MODBUS作為現(xiàn)場總線的一種通信協(xié)議，它實現(xiàn)了PLC控制器、工控儀表與設備間的通訊和信息交換。具有MODBUS功能的工控儀表雖然應用比較廣泛，但是工控儀表和PLC控制器價格較高并且沒有形成自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，阻礙了它的進一步發(fā)展。本文從這個問題著手，設計基于MODBUS協(xié)議的單片機控制系統(tǒng)，設計合理，價格低廉，自主性強，在工業(yè)控制領域具有廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)總體設計
    系統(tǒng)中計算機PC作為主機，AVR單片機作為從機，采用RS-485工業(yè)現(xiàn)場總線通信。由于計算機的串口采用RS232總線標準，因此在主機的串行通信端口必須增加RS485-RS232電平轉(zhuǎn)換器，在計算機串行端口由該電平轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS-232電平與RS-485電平轉(zhuǎn)換，主機與從機通過MOD-BUS通信協(xié)議在RS-485總線上進行數(shù)據(jù)通信和交換，在整個RS-485總線上最多可以接255臺從機。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    整個硬件電路包括：PC機、RS485-RS232電平轉(zhuǎn)換器、電源、復位電路、晶振電路、AVR單片機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)上位機由PC機和串口組成，下位機由兩個單片機控制系統(tǒng)組成。兩個從機設備地址為01和02，每個單片機系統(tǒng)由Atmega32單片機，TSl2864A-3型LCD液晶顯示器，傳感器，PWM脈寬調(diào)制控制電路組成。下位機基于Atmega32單片機，通過傳感器對采集數(shù)據(jù)再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后在LCD液晶屏顯示，Atmega32單片機帶有MAX485串口，通過RS-485總線與上位機通訊，系統(tǒng)的總體硬件原理圖如圖2所示。

3．系統(tǒng)軟件設計
3．1 MODBUS通信協(xié)議
    軟件Modbua協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，標準的Modbus采集器使用RS232C實現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、命令和應答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser／Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗。
    在上位機監(jiān)控界面上建立ADOData控件，ID為IDC_ADODCl，在通用屬性的連接中輸入服務器名稱COMPUTER，選擇數(shù)據(jù)庫MASTER，點擊測試連接，如果顯示測試成功，表示連接SQLsever2000數(shù)據(jù)庫成功。再在數(shù)據(jù)庫中新建一個TABLEI表，表中包括時間，實際數(shù)據(jù)，設定數(shù)據(jù)字段，記錄源的命令文本中SQL命令為select*from TABLEl；其次在監(jiān)控界面上建立DataGrid控件，在datasource屬性中選擇IDC_ADODCl，與ADOData控件建立起聯(lián)系，通過以上的步驟就實現(xiàn)了VC++6．O監(jiān)控界面對數(shù)據(jù)庫的訪問。在VC++6．0環(huán)境完成程序編寫，運行得到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示界面如圖4。

    當上位機MODBUS串口程序把下位機的實際數(shù)據(jù)采集上來并顯示界面中后，就可以對實際數(shù)據(jù)繪制動態(tài)曲線圖。動態(tài)曲線橫坐標是時間，縱坐標是實際數(shù)據(jù)值，兩個坐標確定一個動態(tài)點。動態(tài)曲線的顯示過程是把動態(tài)的數(shù)據(jù)值放到一個數(shù)組中，每采集一個新的數(shù)據(jù)值存放在數(shù)組的最低位，數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)位向前移一位，最高的數(shù)據(jù)位移出；在MSCOMM控件OnOnCommMscomm函數(shù)中得到當前具體的時、分、秒，再將具體時間顯示在橫坐標相應位置，然后把數(shù)組中的所有數(shù)字以及每個數(shù)字所對應的時間的坐標點用線連接起來就構(gòu)成了動態(tài)曲線圖，動態(tài)曲線圖如圖5所示。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)由AVR單片機，數(shù)據(jù)采集模塊，控制電路三部分組成。下位機采用C語言編程，上位機采用VC++6．O編程，以SQLever2000作為后臺數(shù)據(jù)庫，上位機與下位機之間采用RS-485總線通訊，研究并編寫基于MODBUS協(xié)議的工控軟件。實驗測試表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了上下位機基于MODBUS協(xié)議的RS-485總線通訊，在下位機LCD和上位機VC界面顯示數(shù)據(jù)值，在數(shù)據(jù)庫中保存實際數(shù)據(jù)值，并且繪制實際數(shù)據(jù)曲線，實時顯示數(shù)據(jù)誤差不超過l℃。本控制系統(tǒng)符合工業(yè)控制系統(tǒng)設計的要求，有較好的擴展性和多功能的特點，可以擴展到255個設備多點的溫度、濕度、壓力、流量等數(shù)據(jù)監(jiān)測控制，在橡膠、石油、冶金、食品加工、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中可以取代工控儀表和PLC的檢測和控制作用，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品并降低成本具有重要的現(xiàn)實意義，本文提出的方法對于采用MODBUS協(xié)議的智能控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)也具有一定的理論研究和實用價值。