基于MODBUS協(xié)議智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)際需求，改變工控儀表和控制器價(jià)格較高的現(xiàn)狀同時(shí)降低成本，設(shè)計(jì)了基于MODBUS協(xié)議的智能控制系統(tǒng)。下位機(jī)由AVR單片機(jī)實(shí)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(jī)用VC++6．0編寫基于MODBUS協(xié)議的程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示，并且將采集的數(shù)據(jù)值保存到SQLsever2000數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)繪制數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線圖，上下位機(jī)通過RS-485總線通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有一定實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；MODBUS協(xié)議；VC++6．0；SQLsever2000；RS-485總線

O 引言
    現(xiàn)場(chǎng)總線作為生產(chǎn)過程自動(dòng)化發(fā)展的重點(diǎn)，對(duì)推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)起到巨大的推動(dòng)作用，是現(xiàn)代化工業(yè)的標(biāo)志。MODBUS作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種通信協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了PLC控制器、工控儀表與設(shè)備間的通訊和信息交換。具有MODBUS功能的工控儀表雖然應(yīng)用比較廣泛，但是工控儀表和PLC控制器價(jià)格較高并且沒有形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展。本文從這個(gè)問題著手，設(shè)計(jì)基于MODBUS協(xié)議的單片機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理，價(jià)格低廉，自主性強(qiáng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)PC作為主機(jī)，AVR單片機(jī)作為從機(jī)，采用RS-485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信。由于計(jì)算機(jī)的串口采用RS232總線標(biāo)準(zhǔn)，因此在主機(jī)的串行通信端口必須增加RS485-RS232電平轉(zhuǎn)換器，在計(jì)算機(jī)串行端口由該電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)RS-232電平與RS-485電平轉(zhuǎn)換，主機(jī)與從機(jī)通過MOD-BUS通信協(xié)議在RS-485總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交換，在整個(gè)RS-485總線上最多可以接255臺(tái)從機(jī)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)硬件電路包括：PC機(jī)、RS485-RS232電平轉(zhuǎn)換器、電源、復(fù)位電路、晶振電路、AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)上位機(jī)由PC機(jī)和串口組成，下位機(jī)由兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。兩個(gè)從機(jī)設(shè)備地址為01和02，每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)由Atmega32單片機(jī)，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(jī)基于Atmega32單片機(jī)，通過傳感器對(duì)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(jī)帶有MAX485串口，通過RS-485總線與上位機(jī)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(shè)計(jì)
3．1 MODBUS通信協(xié)議
    軟件Modbua協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus采集器使用RS232C實(shí)現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、命令和應(yīng)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(qǐng)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(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。
    在上位機(jī)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(wù)器名稱COMPUTER，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)MASTER，點(diǎn)擊測(cè)試連接，如果顯示測(cè)試成功，表示連接SQLsever2000數(shù)據(jù)庫(kù)成功。再在數(shù)據(jù)庫(kù)中新建一個(gè)TABLEI表，表中包括時(shí)間，實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)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(shí)現(xiàn)了VC++6．O監(jiān)控界面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。在VC++6．0環(huán)境完成程序編寫，運(yùn)行得到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示界面如圖4。

    當(dāng)上位機(jī)MODBUS串口程序把下位機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)采集上來并顯示界面中后，就可以對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)繪制動(dòng)態(tài)曲線圖。動(dòng)態(tài)曲線橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是實(shí)際數(shù)據(jù)值，兩個(gè)坐標(biāo)確定一個(gè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)曲線的顯示過程是把動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)值放到一個(gè)數(shù)組中，每采集一個(gè)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(dāng)前具體的時(shí)、分、秒，再將具體時(shí)間顯示在橫坐標(biāo)相應(yīng)位置，然后把數(shù)組中的所有數(shù)字以及每個(gè)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的坐標(biāo)點(diǎn)用線連接起來就構(gòu)成了動(dòng)態(tài)曲線圖，動(dòng)態(tài)曲線圖如圖5所示。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)由AVR單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集模塊，控制電路三部分組成。下位機(jī)采用C語言編程，上位機(jī)采用VC++6．O編程，以SQLever2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)基于MODBUS協(xié)議的RS-485總線通訊，在下位機(jī)LCD和上位機(jī)VC界面顯示數(shù)據(jù)值，在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存實(shí)際數(shù)據(jù)值，并且繪制實(shí)際數(shù)據(jù)曲線，實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)的要求，有較好的擴(kuò)展性和多功能的特點(diǎn)，可以擴(kuò)展到255個(gè)設(shè)備多點(diǎn)的溫度、濕度、壓力、流量等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制，在橡膠、石油、冶金、食品加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)等工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中可以取代工控儀表和PLC的檢測(cè)和控制作用，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品并降低成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文提出的方法對(duì)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(shí)用價(jià)值。