基于STM32和MODBUS协议的多参数数据采集卡设计(精)

1、第32卷第12期2010-12（上' !【205】基于STM32和MODBUS协议的多参数数据采集卡设计Multi-parameter data acquisiti on card desig n based on STM32 and MODBUS p rotocol肖前军 XIAO Qian-jun（重庆工业职业技术学院，重庆 400050）摘要：为了实现工业现场数据采集的网络化和智能化，本文使用STM32作为控制器，采用MODBUS通信协议，设计了一款高性能多参数数据采集卡。关键词：STM32 ； MODBUS协议；网络化；多参数中图分类号：TP 391文献标识码：A文章编号：10

2、09-0134（201012上- 0205-04Doi: 10.3969/j.iss n.1009-0134.2010.12上.670引言在工业现场需要监控现场的工作环境和设备的运行状况，就需要测量现场的温度、湿度和设备的电压、电流等参数，以前的数据采集多采用变送器，变送器采集 的数据采用模拟量传输，抗干扰能力较差，并且采集数据单一，不能完成多参数采 集，由于采用模拟量传输不易实现网络化。本文提出一种多参数数据采集卡的设计和实施方案，采用STM32作为微处理器，标准MODBUS协议作为通信规约，实 现数据采集的网络化和智能化；该采集卡具有如下功能：可实现 8路模拟量输入（混接），用户可将任一通

3、道自由设置成标准电压、标准电流（加接取样电阻）、 热电偶、热电阻等信号方式；8路继电器输出（控制或报警信号），报警继电器由 I/O前端自行控制输出（组态），可单组或多组输出，每组输出为独立方式，报警 输出触电电流3A在串行通信方式（RS485）下，采用标准MODBUS协议，使 采集卡与上位机或控制器进行通信；人机接口（键盘及显示），完成参数手动设置 和测试结果现场显示。1系统总体方案系统总体框图如图1所示，包括电源处理电路，MCU控制器，串行通信模 块，信号滤波电路，放大电路和 A/D转换电路，信号隔离电路，输出报警和人机接口电路。系统软件流程如图4mm«t«d«

4、"1IIIH2CIJ1価 rft2-JTJWlJ'适UQH阿逹串口料I图1系统框图2功能模块设计2.1电源电路设计离,本部分设计各模块电路的供电电源，该项目有 4组模块电路，由于信号需要隔 故4模块电路的供电电源独立，输入电源电压为 24V ；输出3组5V电源、2组3.3V电源和一组24V电源；设计功率：8W。（具体功率分配：5V电源 500mA, 3.3V 电源各 100mA, 24V 电源 200mA）。电源电路如图2所示，输入端接24V直流电源，TV1为TVS管，是目前国际 上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，通

5、过 TM2594M单元电路，将电压稳定到+5 V。TM2594 系列芯片为简单步降开关稳压器，转换效率高达 88%，解决了 78XX系列LDO型 稳压器件的压差大发热大的问题。+5 V电源经过DC/DC隔离模块H0505S后产生 两路+5V电源，用于信号处收稿日期：2010-08-12作者简介：肖前军（1974 -）,男，重庆开县人，讲师，硕士研究生，研究方 向嵌入式系统设计。【206】第32卷第12期耳IsAC.'rc 3tiC 14lwnliTH.-r MZ_ J 皿 *13$ L_1附tili：32010-12（上理、采集模块电路和串口通信模块电路使用，使用NCP1117L产生两

6、路+3.3 V 电源用于MCU控制器STM32和AD转换芯片ADS1256的工作电源。图2电源电路2.2 MCU 控制器 STM32控制器采用S T公司的S T M 32微处理器，S T M 32系列微处理器基于A RM C 0 r t e x -M 3内核，采用高效的哈佛结构三级流水线，达到 1.25DMIPS/MHz， 在功耗上更是达到 0.06mW/MHz。 Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自动16/32位 混合排列，具有很高的代码密度。单周期的 32位乘法以及硬件除法器，保证Cortex-M3的运算能力有大幅提高。Cortex-M3包含嵌套向量中断控制器 NVIC，中 断响

7、应速度最快仅6周期，内部集成总线矩阵，支持 DMA操作及位映射1。STM32按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101 “基 本型”系列。根据数据采集卡的功能和误差精度的需求，我们选用增强型STM32F103作为 控制器，该控制器具有如下特征：72MHz系统时钟频率、128KB闪存程序存储 器、20KBSRAM、7个定时器、多达9个通信接口、2个12位模数转换器、CAN 接口、7通道DMA控制器、ADC、SPI、USART、I2C接口等。该控制器具有较强的抗干扰能力，在工业现场得到广泛的应用。2.3信号处理电路采集卡主要完成4种信号的采集，即热电阻输入信号、

8、热电偶输入信号、标准 电流输入信号、标准电压输入信号。因此不同的输入信号米取不同的处理电路，信 号处理电路如图3所示。1）热电阻信号输入时：信号从L4的1脚输入，由于热电阻的输入是可变的电阻值，在处理电路中需加一个恒流源（基准 电压芯片+电阻构成），恒流源由U1 REF192和电阻R7构成，当热电阻的阻值随 温度变化时，由于流过热电阻的电流是恒定的，因此热电阻两端的电压随着电阻的 变化而变化，这样就将可变的电阻变换成可变的电压信号，再对该电压滤波、整形 后送入ADS1256程控放大和AD转换。2）当输入为热电偶信号时：信号从 L4的2脚输入，经滤波、整形后送入呂 I'icr.'

9、 tIE JHrfflTTP'ThtVilwrn耐CfTADS1256程控放大和TLL严 IjV<tT STT* artM=¥出71】冉rg _ 呦、璋 宦WIT卜亠I ¥IQI=r c-M -X凸西? I匚二卓冒2U少5AD转换。图3信号处理电路3）当输入为电压信号（标准电压信号为 05V或15V）时：信号从L4的4 脚输入，此时需要去掉采样电阻 R1,经滤波、整形后送入 ADS1256程控放大和AD转换。4）当输入标准电流信号（010m A或420mA）时：信号从L4的4脚输 入，此时需要接采样电阻R2,将电流信号转换为电压，电阻 R2的精度要求0.1%，

10、该信号经滤波、整形后送入 ADS1256程控放大和AD转换。2.4程控放大和A/D采样电路对信号的处理电路部分详见图3,需要特别说明的是在对输入信号的处理中， 输入信号的种类不同，电路中的放大倍数不一样，所以在电路中采用了增益自动调 整电路，由MCU完成数据的采集、比较、识别其输入信号的种类，对其放大倍数 实现自动调整的功能；并使用了 A/D芯片内部自带的多路切换开关实现输入信号 的切换，自带的放大器对信号的放大处理，自带的PGA对放大增益控制，以减小外围电路的干扰和切换是电路动态平衡的时间，根据程控放大和A/D采样的要求，采集卡选用ADS1256作为程控放大和A/D转换芯第32卷第12期20

11、10-12（上【207】片。ADS1256是TI公司推出的微功耗、高精度、8通道24位S?型模数转换器, 该器件内部集成有输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器，ADS1256提供有九路模拟输入端，因此，可使用模拟多路开关（MUX寄存器来将其配置为四路差动输入、八路单极输入或差动输入和单极输入的组合。当模拟输入通道0被选择为正差动输入端时，其余通道可被选择为负差动输入端, 通常，输入引脚的选择是没有限制的，但是为了得到最佳的模拟性能，特推荐如下 的引脚连接方式2:1）作差动测量时，一般将 AIN0AIN7作为输入端，不用AINCOM ;2）作单极测量时，一般将 AIN

12、0AIN7作为单极输入端；AINCOM作为公共 输入端；3）将未用的模拟输入引脚悬空，这样有利于减小输入泄漏电流;当测量小信号时能得到尽量高的分辨率，ADS1256使用了一个低噪声的可编 程增益放大器（PGA,放大倍数可以是1、2,4、8、16、32或643。ADS1256采用四线制（时钟信号线SCLK、数据输入线DIN、数据输出线DOUT和片选线CSSPI通信方式。采集卡的程控放大和 A/D转换芯片ADS1256和MCU采用SPI通信方式，为 了防止数据输入通道引入的高压和干扰信号损坏MCU，在ADS1256和MCU之间增加隔离电路，实现4000V电压的隔离，采用TI公司的7240MDW完成

13、隔离，AD转换软件流程如图4所示。2.5通信模块串行通信模块实现采集卡与上位机或控制器进行通信，通信速度为4800MODBUS 协Bps19200 Bps,可以实现上位机或控制器设置采集卡的用户参数，采集卡可以将 采集的数据传送给上位机或控制器，实现数据采集的智能化。采用美信公司的 max485芯片实现TTL电平和计算机电平之间的转换，通信协议采用议，传输距离可达1200米；多个采集卡可以与上位机组成局域网，采用MODBUS协议进行通信，实现数据采集网络化。1）ModBus基本规则所有RS485通信回路都遵照主/从方式。按照RS485回路上的所有通信都以 信这种通信方式，数据可以在一个主站（如

14、：上位机或控制器和32个子站（如: 采集卡之间传输；主站将初始化和控制信息在 RS485通信回路上进行传输；任何 一次通信都由主站发起，子站不能发起通信；在 息帧”格式传输；如果主站或子站接收到含有未知命令的信息帧，贝U不响应。2）数据帧格式通信传输为异步方式，并以字节（数据帧为单位。在主站和子站之间传递的每 一个数据帧都是11位的串行数据流。1位起始，8位数据，1位校验和1位停止。3）通信规约当主站（上位机）把通信命令发送到子站（采集卡时，符合相应地址码的采集 卡接收通信命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务;然后把执行结果返送给主站。收发信息以数据帧为单位，包括地址码

15、（ADD ） 8bit、执行任务的功能码8bit、执行任务后的数据NX8bit，以及错误校验码（CRC 2>8bit。如果出错就不发送任何信息。通信部分的电路采用6N137，实现电气隔离,d'tfiiBlCtrft诙 IKJJiliK*科揍衣1冇厂;懺1max485作为电平转换芯片。通信流程图如图 4所示。系统流程图A D采样流程图 通信流程图图4软件流程图2.6人机接口电路系统设计一个4M键盘，用于采集卡参数设置和用户信息的修改，显示部分 采用高品质的液晶（LCD显示模块，每屏可以显示 8W个汉字（16 XI6或12804个像素的图形。【208】第32卷第12期ChinsAll

16、 rights2010-12（上2.7报警信号输出8路报警信号采用继电器输出，由 ULN2003A驱动，当采集卡采集的数据高于 设置值一定范围就会发出报警信号通知用户或管理者。比如采集卡设置现场的工作 温度为31 r，当采集的温度为32r时，就发出报警信号。参考文献:1 ST 公司.STM32F103FX Datasheet.2008,5.2周超,李春茂新型8通道24位习？型模数转换器ADS1256的原理及应用 屆 外电子元器件,2005,6.3孙沁梅，卢益民.高精度模数转换器ADS1256的原理和应用.计算机与数字工程,2005,33,3.管K A 431的参考电压应为2. 5V，所以R 1

17、与R 2的2 SR,31的输出电压为2.5V，工作的最小电流为1mA，所以在选择RD和RbiasChinai ! ChinaAll ngte时应保证其中，V o u t反馈回路供电端的电压，V o p为H11A817A的前向导通管压 降，通常为1V。为FPS器件的反馈电流，通常为1mA。CCM模式下，应用小信号分析，从控制端 VFB到参考输出端VO1ChinaAllFErMerv壮 c.的传递函数可以写为:11ChuLaAll riglitsChinaAll ridC 01为参考输出端的电容值，Rc1为该电容的串联等效电阻，RL为输出的等效阻抗。"I；, - 2.5Chba>

18、如All rits(14)(1! reserved.DCM模式下，传递函数为(12(13其R B选择CF ,R F值，设计反馈网络，使得开关电源的传递函数稳定。电容CB影响着所设计的开关电源的延时关断时间， VSD为TP S器件的反 馈关断电压，Idelay为关断延时电流。通常关断延时取 10-50ms,过大的CB值将 减小开关电源的带宽，通常取10-50 nF。2设计实例F面以输入交流电压195V-265V，两路输出15V，1A和5V，2A的开关电源 为例给出利用以上方法设计的开关电源的各项结果。T P S选择K A 5H 0280R，开关频率110K。变压器选择E型磁芯，A w为 135m m 2,电感量L m =1.066mH，原边绕组匝数 Ns1取35匝，输入电容 CDC =22uF。5V输出绕组匝数为5匝，整流管选择SB330，滤波电容1000uF，15V输 出绕组匝数为14匝，整流管选择SB530,滤波电容1000uF，FPS供电绕组