【應用筆記】【AN001】VC#開發環境下基於乙太網的4-20mA電流採集(基於modbus tcp 協議)

XiaomaGee發表於2015-11-10

筆記C#開發環境TCP協議

版本：第一版作者：毛鵬楊帥日期：20151108

簡介

4-20mA電流環具有廣泛的應用前景，在許多行業中都發揮著重要作用。本文主要介紹了乙太網介面的4-20mA電流採集模組在VC#環境下進行溫度採集，實現WINDOWS平臺對資料的採集、分析及顯示。

系統組成及工作原理

系統組成主要包括PT100鉑電阻、SBWZ溫度變送器、4-20mA電流採集模組（GM4008）以及上位機軟體組成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

PT100鉑電阻溫度感測器：利用鉑金屬阻值隨溫度的變化而變化的特性製成的一種溫度感測器，主要用來測量溫度的變化量。

SBWZ溫度變送器：一種現場安裝式溫度變送單元，主要將鉑電阻的訊號變換成線性的4-20mA的輸出訊號。

4-20mA電流採集模組（GM4008）：乙太網介面的GM4008電流採集模組，主要實現資料的傳輸，並通過乙太網介面與上位機進行通訊。

上位機：製作上位機介面，實現被測資料的採集、分析和顯示。

系統工作過程中，當溫度發生變化時，PT100鉑電阻溫度感測器的電阻值發生變化，其阻值經過SBWZ溫度變送器轉

換為4-20mA的電流訊號，並通過4-20mA電流採集模組（GM4008）與上位機通訊，從而實現溫度的採集、分析及顯示。

電流採集模組

系統採用乙太網介面的8通道4-20mA電流採集模組（GM4008），不僅能更加快速、精確的把測量資料傳送給上位機，保證系統的效率，而且可以使系統的資訊傳輸更加穩定。

GM4008簡介

GM4008 8通道4-20mA電流採集模組（以下簡稱模組）採用全電器隔離方案，配合高效能微處理器及8通道12位ADC在較小的體積下完成了電流測量功能。

模組內建高效能電源變換電路，供電電壓範圍寬至7.5V-36V，且效率高達90%以上。此特性為長時間使用的電源穩定性提供保障。模組內建1500V雙隔離電源模組，使得供電輸入、模擬測量精度、模組穩定性及通用性提供保證。

模組內建百兆乙太網電路，可完成遠距離4-20mA資料採集功能。長時間使用穩定可靠，抗干擾強、不掉線。

模組內建32位的高效能ARM微處理器，它不但完成8通道、12位電流採集，而且支援韌體升級功能，為後期功能升級和bug修復提供技術保證。

VC#上位機程式設計

VC#開發環境介紹

該通訊測試介面採用Visual studio2015(VC#)實現，軟體介面如圖2所示。Visual studio2015是微軟公司推出的開發軟體，具有基本完整的開發工具集，包括瞭如UML工具、程式碼管控工具、整合開發環境等工具，可實現基於C#的Modbus串列埠通訊，該介面設計簡潔清晰，操作簡單，便於實現。

圖2 軟體介面

軟體使用方法

軟體介面如圖2所示，操作方法如下：

1. 在IP Address裡設定IP；

2. 在Port裡面設定埠，一般固定為502埠；

3. 點選connect按鍵，此時會自動連線乙太網，此按鍵變為disconnect；

4. 點選start按鍵，開始採集電流；

5. 點選stop按鍵，停止採集；

6. 點選disconnect按鍵後，則斷開乙太網，清除資料。

軟體核心程式碼

（1）Modbus function3功能讀取保持暫存器

Modbus function3功能讀取保持暫存器如附錄1所示，該段程式由一個呼叫函式組成，程式的第128至148行，是暫存器的設定。第149至第162行，是將資料存入暫存器並讀取資料。第163至166是將data的資料轉換成float型別存入value中。

（2）顯示通道資料

顯示通道資料程式碼如附錄2所示，此段程式主要擷取的為0通道顯示資料，由三個主要函式組成，其餘的7個通道可用與之相同的方法實現。

測量採集演示及說明

配備工具或軟體

1. 12V直流電源；

2. 兩個PT100鉑電阻溫度感測器；

3. 兩個SBWZ溫度變送器；

4. 一個乙太網介面8通道4-20mA電流採集模組（GM4008）；

5. Aligent 3440A臺式六位半數字萬用表；

6. 開發環境：Visual Studio 2015（所需軟體由使用者自行下載）；

7. 作業系統：WIN7以上。

系統連線方法

本次實驗主要採集兩個通道的電流資料，為了保持圖片連線清楚整潔，只接入1個SBWZ，另一個連線方式相同。系統主要硬體連線如圖3所示。

圖3 系統主要硬體連線圖

測試步驟

1. 根據系統主要硬體連線圖（圖3）連線各元件；

2. 接入兩個溫度變送器，GM4008配置兩個通道，將CH0設定為打火機火焰測試資料採集通道，CH1設定為熱水資料採集通道；

3. 然後在程式介面設定好IP以及埠；

4. 將兩個溫度變送器的PT100鉑電阻分別放入熱水中與打火機火焰中（具體操作為點選介面的connect按鈕，連線以後點start按鈕，系統會自動連線乙太網採集資料，操作簡單方便）。

測試結果

實驗採集到的資料如圖4所示，為了證明測試結果的準確性以及得到準確的溫度，進行精度驗證與實驗驗證算兩個步驟。

圖4 實驗採集資料圖

（1）精度驗證

為了驗證所測電流值的準確度，把Aligent 34401A 六位半高精度萬用表串聯到SBWZ溫度變送器後端的電路中，將萬用表的電流讀數與上位機顯示的電流度數進行對比。實驗結果如表1所示，經過多次實驗，兩組資料結果基本相同。

表1 實驗各項資料表

被測物件	GM4008測量值	萬用表測量值	換算溫度
火焰（CH0）	19.57mA	19.58mA	389℃
熱水（CH1）	7.60mA	7.61mA	90℃

（2）實驗驗證

由SBWZ溫度變送器以及PT100鉑電阻的量程之間的關係，得出實際測得電流與溫度之間符合關係式：

y=25*x-100

對應測量的電流值對照計算知所測水溫為大約90℃，火焰大約為389℃（由於火焰溫度高於量程，所以到19mA以後停止實驗，以免損壞裝置）與實際相符。

由測試可知：本系統基於VC#開發環境通過乙太網測得的資料是真實可靠的，可應用於實際中。

總結

本文通過Visual studio 2015上位機程式設計實現了VC#環境下乙太網的Modbus通訊，可完成工業自動化控制系統中的遠端資料採集及監測等功能。該通訊系統程式設計模式簡單、易於使用、有較強的實用性。

參考資料

1. 《C#高階程式設計》

2. 《C#圖解教程》