基于MODBUS协议的通讯系统_毕业设计论文

1、毕业设计基于 MODBUS 协议的通讯系统【摘要】本设计研究如何通过MODBUS 通讯协议，设计利用单片机，结合NRF24L01 无线收发芯片，实现了温度实时采集与主机（PC 机）显示。用 STC89C52 单片机与 DS18B20 对温度采集显示于数码管，在通过无线模块发送到另一块单片机系统里通过 1602 液晶显示，成后，基于 MODBUS 通讯协议通过 RS-485 的物理层实现串口通信，发送实时数据给主机。经过一系列的处理后，温度得以实时在两个单片机系统中显示并准确显示在主机串口调试软件中。经检测，作品实现了基于 MODBUS 协议的通讯。【关键词】MODBUSNRF24L01STC89C52PC 机Abstract This design to study how through the MODBUS communication protocoldesignedtousemicrocontroller,tocombineNRF24L01wirelesstransceiverchip temperature real-time acquisition with the host

2、 (PC) display. The STC89C52 SCM and DS18B20 temperature acquisition and display digital control, the 1602 LCD, after the completion of a microcontroller system via RS-485 physical layer communication protocol based on MODBUS serial communication through a wireless module to send to send real-time data to the host. After a series of treatments, the temperature can be shown in the two single-chip system in real time and accurately displayed on the host serial port debugging software. After testing

3、, the works based on MODBUS protocol communication.Key words The MODBUS nRF24L01 STC89C52 host computer目录第章 绪论11.1 Modbus协议简介11.2 Modbus协议的应用11.3 、本论文的主要内容1第章设计总思路和法案选择22.1 、设计总体思路基本原理和框图22.2 MODBUS 方案选择32.3 通讯接口选择32.4 无线模块的选择42.5 本章小结4第章 通讯系统实现的理论原理5.1 MODBUS-RTU 通讯协议内容简介53.2 RS-485 接口简介73.3 NRF24L01 无线模块内容简介83.4 本章小结9第章 通讯系统实现的硬件设计104.1 硬件系统结构104.2 单片机最小系统模块104.3 温度采集、独立按键、液晶和数码管显示模块114.4 无线收发单元模块114.5 RS-232 转 RS-485 通讯接口模块124.6 本章小结13第章 通讯系统实现的软件设计135.1 基于 MODBUS 协议处理报文的软件设计：135.2 A 机流程图和说明1

4、75.3 B 机流程图和说明185.4 本章小结19第章 通讯系统的实现206.1 实物整体外观206.2 串口主机（PC 机）显示216.3 结果评价226.4 不足和展望23参考文献24致谢25附录一： 系统总原理图和 PCB 图26附录二： 单片机 A 机程序28附录三： 单片机 B 机程序42第章绪论1.1 Modbus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（Interface for Distributed Automation，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

5、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。1.2 Modbus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。它制定了消息域格局和内容的公共格式。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

6、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 R

7、S232-485 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：液晶显示器数码管显示独立键盘MCUA 机MCUB 机温度、时钟无线收发模块 A无线收发模块 B电磁波上位机显示温度、时钟Modbus 协议RS232 转485物理层图 2-1总体框图A 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。B 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。B 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

8、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。2.2 MODBUS 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（American Standard Code for Information Interchange），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 09，AF，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：起始位地址代码表 2-1功能代码ASCII

9、 模式数据位LRC 校验码结束位STARTADDRESSFUNCTIONDATALRC CHECKEND1 字节2 字节2 字节n 字节2 字节2 字节1 CHAR2 CHARS2 CHARSn CHARS2 CHARS2 CHARS方案二、RTU（Remote Terminal Unit），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。代码系统：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：起始位STARTT1-T2-T3-T4地址代码ADDRESS8 BITS功能代码FUNCTION8 BITS数据位CRC 校验码结束位DATACRC CHECKENDn * 8 BITS16 BITST1-T2-T3-T4表 2-2 RTU 模式通过比较可以看到，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

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