基于STM32和MODBUS協(xié)議的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡設計精

1、第32卷 第12期 2010-12(上 【205】基于STM32和MODBUS協(xié)議的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡設計Multi-parameter data acquisition card design based on STM32 and MODBUS protocol肖前軍XIAO Qian-jun（重慶工業(yè)職業(yè)技術學院，重慶 400050）摘 要：為了實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡化和智能化，本文使用STM32作為控制器，采用MODBUS通信協(xié)議，設計了一款高性能多參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡。關鍵詞：STM32；MODBUS協(xié)議；網(wǎng)絡化；多參數(shù)中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-0134(

2、201012(上-0205-04Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上.670 引言在工業(yè)現(xiàn)場需要監(jiān)控現(xiàn)場的工作環(huán)境和設備的運行狀況，就需要測量現(xiàn)場的溫度、濕度和設備的電壓、電流等參數(shù)，以前的數(shù)據(jù)采集多采用變送器，變送器采集的數(shù)據(jù)采用模擬量傳輸，抗干擾能力較差，并且采集數(shù)據(jù)單一，不能完成多參數(shù)采集，由于采用模擬量傳輸不易實現(xiàn)網(wǎng)絡化。本文提出一種多參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡的設計和實施方案，采用STM32作為微處理器，標準MODBUS協(xié)議作為通信規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡化和智能化；該采集卡具有如下功能：可實現(xiàn)8路模擬量輸入（混接），用戶可將任一通道自由設置成標準電壓、

3、標準電流（加接取樣電阻）、熱電偶、熱電阻等信號方式；8路繼電器輸出（控制或報警信號），報警繼電器由I/O前端自行控制輸出（組態(tài)），可單組或多組輸出，每組輸出為獨立方式，報警輸出觸電電流3A；在串行通信方式（RS485）下，采用標準MODBUS協(xié)議，使采集卡與上位機或控制器進行通信；人機接口（鍵盤及顯示），完成參數(shù)手動設置和測試結果現(xiàn)場顯示。1 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，包括電源處理電路，MCU控制器，串行通信模塊，信號濾波電路，放大電路和A/D轉換電路，信號隔離電路，輸出報警和人機接口電路。系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示。圖1 系統(tǒng)框圖2 功能模塊設計2.1 電源電路設計本部分設計各模塊電

4、路的供電電源，該項目有4組模塊電路，由于信號需要隔離，故4模塊電路的供電電源獨立，輸入電源電壓為24V；輸出3組5V電源、2組3.3V電源和一組24V電源；設計功率：8W。（具體功率分配：5V電源500mA，3.3V電源各100mA，24V電源200mA）。電源電路如圖2所示，輸入端接24V直流電源，TV1為 TVS管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，通過TM2594M單元電路，將電壓穩(wěn)定到+5 V。TM2594系列芯片為簡單步降開關穩(wěn)壓器，轉換效率高達88%，解決了78XX系列LDO型穩(wěn)壓器件的壓差大發(fā)熱大的問題。+5

5、V電源經(jīng)過DC/DC隔離模塊H0505S后產(chǎn)生兩路+5V電源，用于信號處收稿日期：2010-08-12作者簡介：肖前軍（1974 -），男，重慶開縣人，講師，碩士研究生，研究方向嵌入式系統(tǒng)設計。【206】 第32卷 第12期 2010-12(上理、采集模塊電路和串口通信模塊電路使用，使用 NCP1117L產(chǎn)生兩路+3.3 V電源用于MCU控制器 STM32和AD轉換芯片ADS1256的工作電源。圖2 電源電路2.2 MCU控制器STM32控制器采用S T 公司的S T M 32微處理器，S T M 32系列微處理器基于A R M C o r t e x -M 3內核，采用高效的哈佛結構三級流水

6、線，達到1.25DMIPS/MHz，在功耗上更是達到0.06mW/MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自動16/32位混合排列，具有很高的代碼密度。單周期的32位乘法以及硬件除法器，保證Cortex-M3的運算能力有大幅提高。Cortex-M3包含嵌套向量中斷控制器NVIC，中斷響應速度最快僅6周期，內部集成總線矩陣，支持DMA操作及位映射1。STM32按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的功能和誤差精度的需求，我們選用增強型STM32F103作為控制器，該控制器具有如下特征：72MHz系統(tǒng)時鐘頻率、128

7、KB閃存程序存儲器、20KBSRAM、7個定時器、多達9個通信接口、2個12位模數(shù)轉換器、CAN接口、7通道DMA控制器、ADC、SPI、USART 、I2C接口等。該控制器具有較強的抗干擾能力，在工業(yè)現(xiàn)場得到廣泛的應用。2.3 信號處理電路采集卡主要完成4種信號的采集，即熱電阻輸入信號、熱電偶輸入信號、標準電流輸入信號、標準電壓輸入信號。因此不同的輸入信號采取不同的處理電路，信號處理電路如圖3所示。1）熱電阻信號輸入時：信號從L4的1腳輸入，由于熱電阻的輸入是可變的電阻值，在處理電路中需加一個恒流源（基準電壓芯片+電阻構成），恒流源由U1 REF192和電阻R7構成，當熱電阻的阻值隨溫度變化

8、時，由于流過熱電阻的電流是恒定的，因此熱電阻兩端的電壓隨著電阻的變化而變化，這樣就將可變的電阻變換成可變的電壓信號，再對該電壓濾波、整形后送入ADS1256程控放大和AD轉換。2）當輸入為熱電偶信號時：信號從L4的2腳輸入，經(jīng)濾波、整形后送入ADS1256程控放大和 AD轉換。圖3 信號處理電路3）當輸入為電壓信號（標準電壓信號為05V或15V）時：信號從L4的4腳輸入，此時需要去掉采樣電阻R1，經(jīng)濾波、整形后送入ADS1256程控放大和AD轉換。4）當輸入標準電流信號（010m A 或420mA）時：信號從L4的4腳輸入，此時需要接采樣電阻R2，將電流信號轉換為電壓，電阻R2的精度要求0.1

9、%，該信號經(jīng)濾波、整形后送入ADS1256程控放大和AD轉換。2.4 程控放大和A/D采樣電路對信號的處理電路部分詳見圖3，需要特別說明的是在對輸入信號的處理中，輸入信號的種類不同，電路中的放大倍數(shù)不一樣，所以在電路中采用了增益自動調整電路，由MCU完成數(shù)據(jù)的采集、比較、識別其輸入信號的種類，對其放大倍數(shù)實現(xiàn)自動調整的功能；并使用了A/D芯片內部自帶的多路切換開關實現(xiàn)輸入信號的切換，自帶的放大器對信號的放大處理，自帶的PGA對放大增益控制，以減小外圍電路的干擾和切換是電路動態(tài)平衡的時間，根據(jù)程控放大和A/D采樣的要求，采集卡選用ADS1256作為程控放大和A/D轉換芯第32卷 第12期 201

10、0-12(上 【207】片。ADS1256是TI公司推出的微功耗、高精度、8通道24位-型模數(shù)轉換器，該器件內部集成有輸入模擬多路開關、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器，ADS1256提供有九路模擬輸入端，因此，可使用模擬多路開關(MUX寄存器來將其配置為四路差動輸入、八路單極輸入或差動輸入和單極輸入的組合。當模擬輸入通道0被選擇為正差動輸入端時，其余通道可被選擇為負差動輸入端，通常，輸入引腳的選擇是沒有限制的，但是為了得到最佳的模擬性能，特推薦如下的引腳連接方式2：1）作差動測量時，一般將AIN0AIN7作為輸入端，不用AINCOM；2）作單極測量時，一般將AIN0AIN7作為

11、單極輸入端；AINCOM作為公共輸入端；3）將未用的模擬輸入引腳懸空，這樣有利于減小輸入泄漏電流；當測量小信號時能得到盡量高的分辨率，ADS1256使用了一個低噪聲的可編程增益放大器(PGA，放大倍數(shù)可以是1、2,4、8、16、32或643。ADS1256采用四線制(時鐘信號線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和片選線CSSPI通信方式。采集卡的程控放大和A/D轉換芯片ADS1256和MCU采用SPI通信方式，為了防止數(shù)據(jù)輸入通道引入的高壓和干擾信號損壞MCU，在ADS1256和MCU之間增加隔離電路，實現(xiàn)4000V電壓的隔離，采用TI公司的7240MDW完成隔離，AD轉換軟件流程

12、如圖4所示。2.5 通信模塊串行通信模塊實現(xiàn)采集卡與上位機或控制器進行通信，通信速度為4800 Bps19200 Bps，可以實現(xiàn)上位機或控制器設置采集卡的用戶參數(shù)，采集卡可以將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機或控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的智能化。采用美信公司的max485芯片實現(xiàn)TTL電平和計算機電平之間的轉換，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，傳輸距離可達1200米；多個采集卡可以與上位機組成局域網(wǎng)，采用MODBUS協(xié)議進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡化。1）ModBus基本規(guī)則所有RS485通信回路都遵照主/從方式。按照這種通信方式，數(shù)據(jù)可以在一個主站(如：上位機或控制器和32個子站(如：采集卡之間傳輸；主站將初

13、始化和控制信息在RS485通信回路上進行傳輸；任何一次通信都由主站發(fā)起，子站不能發(fā)起通信；在RS485回路上的所有通信都以“信息幀”格式傳輸；如果主站或子站接收到含有未知命令的信息幀，則不響應。2）數(shù)據(jù)幀格式通信傳輸為異步方式，并以字節(jié)(數(shù)據(jù)幀為單位。在主站和子站之間傳遞的每一個數(shù)據(jù)幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流。1位起始，8位數(shù)據(jù)，1位校驗和1位停止。3）通信規(guī)約當主站（上位機）把通信命令發(fā)送到子站(采集卡時，符合相應地址碼的采集卡接收通信命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應的任務；然后把執(zhí)行結果返送給主站。收發(fā)信息以數(shù)據(jù)幀為單位，包括地址碼（ADD）8bit、執(zhí)行任務的功能碼8

14、bit、執(zhí)行任務后的數(shù)據(jù)N×8bit，以及錯誤校驗碼(CRC 2×8bit。如果出錯就不發(fā)送任何信息。通信部分的電路采用6N137，實現(xiàn)電氣隔離， max485作為電平轉換芯片。通信流程圖如圖4所示。系統(tǒng)流程圖 A D 采樣流程圖 通信流程圖圖4 軟件流程圖2.6 人機接口電路系統(tǒng)設計一個4×4 鍵盤，用于采集卡參數(shù)設置和用戶信息的修改，顯示部分采用高品質的液晶(LCD顯示模塊，每屏可以顯示8×4個漢字(16×16或128×64個像素的圖形?！?08】 第32卷 第12期 2010-12(上2.7 報警信號輸出8路報警信號采用繼電器輸

15、出，由ULN2003A驅動，當采集卡采集的數(shù)據(jù)高于設置值一定范圍就會發(fā)出報警信號通知用戶或管理者。比如采集卡設置現(xiàn)場的工作溫度為31，當采集的溫度為32時，就發(fā)出報警信號。參考文獻：1 ST公司.STM32F103Fx Datasheet.2008,5.2 周超,李春茂.新型8通道24位-型模數(shù)轉換器ADS1256的原理及應用.國外電子元器件,2005,6.3 孫沁梅,盧益民.高精度模數(shù)轉換器ADS1256的原理和應用.計算機與數(shù)字工程,2005,33,3.管K A 431的參考電壓應為2. 5V ，所以R 1與R 2的 為31的輸出電壓為2.5V，工作的最小電流為1mA，所以在選擇RD 和R

16、bias 時應保證其中，V o u t 反饋回路供電端的電壓，V o p 為H11A817A的前向導通管壓降，通常為1V。 為FPS器件的反饋電流，通常為1mA。CCM模式下，應用小信號分析，從控制端VFB到參考輸出端VO1 的傳遞函數(shù)可以寫為： 11 C O1為參考輸出端的電容值，Rc1為該電容的串聯(lián)等效電阻，RL 為輸出的等效阻抗。 DCM模式下，傳遞函數(shù)為 (12 (13其R B 選擇CF ,R F 值，設計反饋網(wǎng)絡，使得開關電源的傳遞函數(shù)穩(wěn)定。電容CB 影響著所設計的開關電源的延時關斷時間，V S D 為T P S 器件的反饋關斷電壓，Idelay 為關斷延時電流。通常關斷延時取10-

17、50ms，過大的CB 值將減小開關電源的帶寬，通常取10-50nF。2 設計實例下面以輸入交流電壓195V-265V，兩路輸出15V，1A和5V，2A的開關電源為例給出利用以上方法設計的開關電源的各項結果。T P S 選擇K A 5H 0280R ，開關頻率110K 。變壓器選擇E 型磁芯，A w 為135m m 2, 電感量 L m =1.066mH，原邊繞組匝數(shù)Ns1取35匝，輸入電容CDC =22uF 。5V輸出繞組匝數(shù)為5匝，整流管選擇SB330，濾波電容1000uF，15V輸出繞組匝數(shù)為14匝，整流管選擇SB530，濾波電容1000uF，F(xiàn)PS供電繞組為12匝，整流管選擇1N4148，濾波電容22uF。變壓器縫隙0.78mm。反饋電路中電阻R1，R2為5.6K。CF =100nF，R F =4.7K，RD =1K，Rbias =1K。緩沖電路中，Csn =10nF，Rsn =30K。開關管承受的最大關斷電壓為620V，小于KA5H0280R的關斷耐壓800V的90%。3 結論可以看到使用的FPS系列器件使用的分離元件少，體積小，由于高可靠的內部電路設計和軟啟動技術使得產(chǎn)生的電磁干擾小。廣泛用于儀器儀表、計算機、家用電