基于MODBUS协议的通讯系统 精品Word下载.docx

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第２章　设计总思路和法案选择2

2．1、设计总体思路基本原理和框图2

2.2MODBUS方案选择2

2.3通讯接口选择3

2.4无线模块的选择4

2.5本章小结4

第３章通讯系统实现的理论原理5

３.1MODBUS-RTU通讯协议内容简介5

3.2RS-485接口简介7

3.3NRF24L01无线模块内容简介8

3.4本章小结9

第４章通讯系统实现的硬件设计10

4.1硬件系统结构10

4.2单片机最小系统模块10

4.3温度采集、独立按键、液晶和数码管显示模块10

4.4无线收发单元模块11

4.5RS-232转RS-485通讯接口模块11

4.6本章小结12

第５章通讯系统实现的软件设计13

5.1基于MODBUS协议处理报文的软件设计：

13

5.2A机流程图和说明16

5.3B机流程图和说明17

5.4本章小结18

第６章通讯系统的实现19

6.1实物整体外观19

6.2串口主机（PC机）显示20

6.3结果评价21

6.4不足和展望22

参考文献23

致谢24

附录一：

系统总原理图和PCB图25

附录二：

单片机A机程序27

附录三：

单片机B机程序40

第１章绪论

1.1Modbus协议简介

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。

为更好地普及和推动Modbus在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA（InterfaceforDistributedAutomation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。

在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。

据不完全统计：

截止到2007年，Modbus的节点安装数量已经超过了1000万个。

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

它已经成为一通用工业标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

1.2Modbus协议的应用

工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。

Modbus就是工业控制器的网络协议中的一种。

Modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。

这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误测的方法。

1.3、本论文的主要内容

考虑到工业上常常要对一些移动性强的设备进行一些监控，本次设计了温度信号实时采集显示。

在短距离利用无线模块与一些移动性强的设备进行数据交换克服有线通讯的弊端，再基于Modbus通讯协议将采集到的数据显示于上位机上实现远程通讯。

本论文的主要内容总由五章组成。

第一章介绍Modus通讯协议与它的应用；

第二章介绍设计的总思路和基本原理，对Mdodbus、通讯接口、无线模块的方案进行介绍和选择；

第三章介绍modbus协议、RS485通讯接口、NRF24L01通讯模块的内容；

第四章具体介绍硬件设计，最小系统、按键液晶数码管显示、电源电路、RS232—485模块、NRF24L01模块的硬件设计等；

第五章介绍Modbus协议的软件设计、A机软件设计、B机软件设计等；

第六章介绍整个作品的实现，对设计的整体外观、串口显示、对结果进行评价；

说明了不足之处和设计的展望等。

第２章　设计总思路和法案选择

2．1、设计总体思路基本原理和框图

本次设计了基于RS232-485为接口，双绞线为介质的MODBUS通讯协议来实现远距离、高稳定、高速率、抗干扰能力强的通讯系统，得以在远离现场进行监测。

考虑到现场有时候设备移动性比较强时，比如物料输送时要监测移动的设备的温度时，有线方式通讯是受限的，所以设计中还结合了无线模块来避免这种弊端。

根据设计思路本次设计为A、B两个系统模块和PC机通讯模块；

A机和B机可以通过无线模块双向传输信号；

在Modbus通讯中B机作为从机，PC机作为主机，通过RS232-485接口实现通讯。

功能如图2-1所示：

图2-1总体框图

⑴A机可以显示时钟和采集到的温度信息，可以向B机发送命令，使B机当前显示的是温度或时钟。

⑵B机可以按A机的命令显示时钟（与甲时钟需同步）或者温度信息，当B机接受了A机的命令时指示灯闪烁一次。

⑶B机的温度、时钟通过Modbus协议与主机通讯实现将温度值、时钟的时分信号读取显示于上位机串口调试软件上。

系统中主要有MCU、液晶显示、数码管显示、独立按键、温度采集、无线收发、RS232转485、上位机等单元。

其中MCU为各单元的控制中心，无线收发模块是实现A机和B机通信的终端；

主机、数码管和液晶显示部分用来观察系统工作状态及无线通信的成功与否。

2.2MODBUS方案选择

在Modbus协议中，依数据在传输过程中的具体形式不同，分为两种模式：

ASCII模式和RTU模式，采用哪种模式由用户自己根据需要进行选择。

在改变数据传输模式时，同一Modbus网络中的所有设备的数据传输模式必须一致。

方案一、ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），即美国信息交换标准代码。

在这种模式中，每个8比特的字节被转换为两个ASCII字符进行传送。

这种模式的主要优点是传送中每相邻的两字节之间允许的最大时间间隔较长，可达1秒。

代码系统：

十六进制，ASCII字符0…9，A…F，消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成每个字节的位：

表2-1ASCII模式

起始位

地址代码

功能代码

数据位

LRC校验码

结束位

START

ADDRESS

FUNCTION

DATA

LRCCHECK

END

1字节

2字节

n字节

1CHAR

2CHARS

nCHARS

方案二、RTU（RemoteTerminalUnit），即远程终端单元。

当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。

8位二进制，十六进制数0...9，A...F，消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成每个字节的位：

表2-2RTU模式

CRC校验码

CRCCHECK

T1-T2-T3-T4

8BITS

n*8BITS

16BITS

通过比较可以看到，ASCII协议和RTU协议相比拥有开始和结束标记，因此在进行程序处理时能更加方便，而且由于传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加的直观，另外它的LRC校验也比较容易。

但是因为它传输的都是可见的ASCII字符，RTU传输的数据每一个字节ASCII都要用两个字节来传输，比如RTU传输一个十六进制数0xF9,ASCII就需要传输’F’’9’的ASCII码0x39和0x46两个字节，这样它的传输的效率就比较低。

综合各因素本次设计采用方案二即RTU模式。

2.3通讯接口选择

方案一、RS-232接口。

由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

⑴ 

接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 

电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

⑵ 

传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

⑶ 

接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 

这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

⑷ 

传输距离有限，最大传输