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-parameterdataacquisitioncarddesignbasedonSTM32andMODBUSprotocol肖前军XIAOQian-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：TP391文献标识码：A文章编号：1009-0134(201012(上-0205-04Doi:10.3969/j.issn.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4所示。图1系统框图2功能模块设计2.1电源电路设计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，由于信号需要隔离，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，通过TM2594M单元电路，将电压稳定到+5V。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。+5V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2010-12(上理、采集模块电路和串口通信模块电路使用，使用NCP1117L产生两路+3.3V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2.2MCU控制器STM32控制器采用ST公司的STM32微处理器，STM32系列微处理器基于ARMCortex-M3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、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采取不同的处理电路，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...