基于Cortex-M3和Modbus协议的测控系统

　2010年　第2期

仪表技术与传感器

Instrument　Technique　and　Sensor2010　

No.2　

基于Cortex-M3和Modbus协议的测控系统

吴叶兰,苏　震,熊　飞,刘海平

(北京工商大学计算机与信息工程学院,北京　100037)

　　摘要:介绍了一种以Cortex-M3微处理器为核心、基于Modbus通信协议的温度测控系统。分析了系统功能,介绍了系统总体设计方案。给出了测控终端硬件电路设计,介绍了采用uCOS-Ⅱ实时操作系统实现的测控终端软件设计。利用Modbus通信协议,采用VC++6.0开发平台,结合Access数据库实现了监控主机的软件设计并给出了通信协议。实验结果表明:该系统能可靠实现数据的采集、传输和控制。关键词:Modbus协议;ARM;数据采集;测控系统

中图分类号:TP29　　　文献标识码:B　　　文章编号:1002-1841(2010)02-0042-03

MeasurementandControlSystemBasedonCortex-M3andModbusProtocol

WUYe-lan,SUZhen,XIONGFei,LIUHai-ping

(CollegeofComputer＆InformationEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

Abstract:AtemperaturemeasurementandcontrolsystembasedonModbusprotocolusingCortex-M3microprocessorasker-nelwasintroduced.Thesystemfunctionswereanalyzedandtheoveralldesignschemewasintroduced.Theterminalhardwarecir-cuitdesignandsoftwaredesignwhichadopteduCOS-Ⅱhttp://doc.guandang.netingModbusprotocol,VC++6.0develop-mentplatformandAccessdatabase,itrealizedthemonitoringhostsoftwaredesignandprovidedcommunicationprotocol.Experi-mentsshowthatthesystemcanimplementthedataacquirement,transmissionandcontrolreliably.Keywords:Modbusprotocol;ARM;dataacquisition;measurementandcontrolsystem0　引言

在工业生产中,常需要对压力、流量、温度、湿度等过程控制量进行测量。随着嵌入式技术的发展,以简单单片机为核心的测控系统已逐渐不能满足各种应用需求,而以32位嵌入式微处理器为核心的测控系统以其功能强、可靠性高、功耗低成为发展趋势[1]。文中介绍了一种采用Cortex-M3微处理器和Modbus通信协议的温度测控系统。1　系统总体设计1.1　系统功能

系统由测控终端和监控主机组成。测控终端通过AD590温度传感器采集温度信号,经ADC转换模块转换成数字信号,由微处理器处理后输出经驱动电路在LCD上显示。可设置报警上下限和校正偏移量等参数,具备过限报警和自动控制等功能。测控终端采用EEPROM芯片存储参数,保证在掉电情况下设置的参数长期保存。同时测控终端采用Modbus通信协议通过RS-232将采集的信息传送到远程监控主机。监控主机实现温度的实时显示和历史数据的保存、查询,并能下传控制参数,对错误数据能给出报警信息。1.2　系统总体设计

系统总体设计如图1所示。测控终端主要由Cortex-M3微处理器、传感器与ADC转换模块、LCD显示模块、独立按键模块、EEPROM模块、蜂鸣器模块等组成。独立按键模块用于

图1　系统总体结构图

设置系统参数;ADC转换模块用于转换采集来的温度模拟信号;LCD显示模块用于人机交互;EEPROM模块用来存储设置参数;蜂鸣器模块用于报警提示;RS-232模块用于与上位监控主机通信等。监控主机以PC机为运行平台,采用MicrosoftVisualC++6.0编写监控软件

。

2　测控终端硬件设计2.1　最小系统设计

Cortex-M3是首款基于ARMv7-M架构的处理器,专门为工业控制、汽车系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高性能而设计的。Cortex-M3处理器的核心是基于哈佛架构的3级流水线内核,该内核集成了分支预测,单周期乘法,硬件除法等众多功能强大的特性,采用新型ThumbR-2指令集架构。与执行Thumb指令的ARM7TDMI-SR处理器相比,每MHz的效率提高了70%[2]。以Cortex-M3微处理器为核心的最小系统如图2所示。2.2　温度采集转换模块设计

AD590是单片集成两端感温电流源,采用AD590芯片进行温度检测。AD590的温度变化范围为-55～+150℃,经过

基金项目:北京市组织部优秀人才项目(20071D0500300142)

收稿日期:2009-05-19　收修改稿日期:2009-09-15

　第2期

吴叶兰等:基于Cortex-M3和Modbus协议的测控系统

　43　

10kΨ电阻后电压变化范围为2.182～4.232V,所以采用-50℃(2.232V)作为标准,输出电压在0～2V范围内,温度

每变化1℃电压变化10mV,满足系统0～3V的采样范围。温度检测放大电路如图3所示

。

图2　Cortex-M3微处理器的最小系统图

　　AD590的正极接至+12V电源,负极接输出,输出的电流信号由10kΨ电阻转换为电压信号以实现温度和电压信号的转换。RD590的输出与开氏温度成1用来调整校基准温度。A正比,其温度与电流的关系如表1所示。

AD590采集的信号经稳压、比较后输入到Cortex-M3的A/D口进行模数转换,供后续处理。

表1　AD590温度与电流的关系

温度/℃

0102030405060100

AD590输出电流/μA

273.2283.2293.2303.2313.2323.2333.2373.2

转换后电压/V

2.7322.8322.9323.0323.1323.2323.3323.732

图3　温度采集电路图

信号。为保证设置参数掉电后不丢失,采用CAT24C02完成参

2

数存储,通过IC与CPU进行通信,硬件电路如图4所示。

3　测控终端软件设计

Cortex-M3微处理器对嵌入式实时操作系统提供了全面的支持。uCOS-Ⅱ是专为嵌入式硬件设计的实时多任务内核,其内核精简,多任务管理功能相对完善,实时性能好,可裁剪,源码开放,可移植性强[3],能较好地满足系统对实时性、稳定性和可靠性的要求。系统总体流程如图5所示。

2.3　显示和存储模块设计

采用PCF8562LCD芯片控制字符型TH3144LCD显示信息。TH3144LCD模块的数据和控制总线与PCF8562的S0～S10、BP0～BP3引脚相连,PCF8562控制芯片的SCL和SDA引脚与

2

Cortex-M3的IC引脚相连,用于CPU向LCD发送控制

和数据

　　44

InstrumentTechniqueandSensor

表2　发送帧格式

顺序

12345678

代码仪表地址功能代码

起始寄存器地址高字节起始寄存器地址低字节寄存器个数高字节寄存器个数低字节CRC校验高字节CRC校验低字节

Feb.2010　

5　结束语

文中提出了一种基于Cortex-M3微处理器和Modbus通信协议的测控系统方案。Cortex-M3微处理器侧重于成本控制和应用优化,能实现快速和简易的软件开发;而Modbus通信协议由于其良好的适用性被广泛使用。所以,将两者结合以实现对工业现场数据采集、传输和控制提供了一种可行的解决方案,具有较好的应用前景

。

uCOS-Ⅱ操作系统支持多任务调度,系统设计了5个任务。启动任务是系统创建的第一个任务,也是优先级最高的任务。主要作用是创建其他任务等。键盘处理任务可根据不同的按键进行相应处理。ADC采集任用来读取传感器采集到的信息,进行A/D转换、标度变换等处理。串口通信任务负责下位机与下位机之间的数据通信。LCD显示任务在LCD显示屏上显示结果,优先级最低。4　监控主机软件设计4.1　监控主机软件功能

监控主机采用面向对象程序设计思想,采用VC++6.0结合Access数据库和GDI函数调用,实现串口通信、数据处理、人机监控、数据库处理等功能。串口通信实现对串行总线上Mod-bus数据帧的读取,接收来自人机监控模块的命令发送到串 …… 此处隐藏：3072字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……