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。
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++環境的介紹
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。
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。
軟體的核心程式碼
（1）Modbus function3功能讀取保持暫存器
Modbus讀取資料程式如附件1所示，該段程式由一個Modbus3函式組成，程式先是對的第324至342行，是對暫存器的設定。第346至第358行，是資料的傳送與讀取方式。第360至362行是資料的型別轉換。
（2）顯示通道資料
顯示通道資料程式碼如附錄2所示，此段程式主要為8個通道資料顯示。每個通道都是從暫存器讀取資料再顯示出來。
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 34401A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。
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：（2）實驗驗證
y=25*x-100
對應測量的電流值對照計算知所測水溫為大約87℃，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
- 《Effective C++》；
- 《C++程式設計語言》
相關資源下載
1、Visual Studio 2015下載地址：
https://www.visualstudio.com/downloads/download-visual-studio-vs
2、GM4008 簡易手冊：
http://files.cnblogs.com/files/xiaomagee/GM4008%E7%AE%80%E6%98%93%E6%89%8B%E5%86%8CV1.0.pdf
3、GM4008 使用者手冊：
http://files.cnblogs.com/files/xiaomagee/GM4008%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.0.pdf
4、GM4008 購買地址：
https://item.taobao.com/item.htm?id=522185223217
5、本資料原始碼包、PDF 文件下載：
連結: http://pan.baidu.com/s/1sj6Aifj 密碼: jw9g
http://pan.baidu.com/s/1pJnbxvP
附錄1：Modbus 功能碼3讀取資料程式
300 //modbus傳送並讀取資料 301 void CmodbusDlg::modbus_fun3(int start_address,int read_number) 302 { 303 static short int id; 304 static int response_length; 305 static int length; 306 char recvbyte[256]; 307 char sendbyte[12]; 308 short int data[24]; 309 float display_value[8]; 310 int i; 311 CString str; 312 short int temp; 313 typedef union{ 314 unsigned short int data; 315 struct { 316 char a; 317 char b; 318 }; 319 } 320 TYPE_T; 321 TYPE_T data_value; 322 323 id++; 324 //事務元表示符 325 sendbyte[0] = (id >> 8) & 0x00ff; 326 sendbyte[1] = id & 0x00ff; 327 //協議表示符 328 sendbyte[2] = 0x00; 329 sendbyte[3] = 0x00; 330 //以下位元組的長度 331 sendbyte[4] = 0x00; 332 sendbyte[5] = 0x06; 333 //單元識別符號 334 sendbyte[6] = 0x01; 335 //功能碼 336 sendbyte[7] = 0x03; 337 //讀取暫存器起始地址 338 sendbyte[8] = (start_address >> 8) & 0x00ff; 339 sendbyte[9] = start_address & 0x00ff; 340 //讀取暫存器數量 341 sendbyte[10] = (read_number >> 8) & 0x00ff; 342 sendbyte[11] = read_number & 0x00ff; 343 344 response_length = read_number * 2 + 9; 345 //傳送讀取命令 346 send(s, sendbyte, 12, 0); 347 //讀取資料 348 length = 0; 349 while (length < response_length){ 350 i = recv(s, &recvbyte[0] + length , 256 - length , 0); 351 length = length + i; 352 } 353 354 for (i = 0; i < 24; i++) { 355 data_value.a = recvbyte[i * 2 + 10]; 356 data_value.b = recvbyte[i * 2 + 9]; 357 data[i] = data_value.data; 358 } 359 360 for (i = 0; i < 8; i++) { 361 display_value[i] = (float)(data[i * 3 + 2] / 100.0); 362 } 363
附錄2：顯示通道資料程式
364 //顯示採集資料 365 m_ch0.SetWindowTextW(_T("")); 366 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[0]); 367 m_ch0.ReplaceSel(str); 368 369 m_ch1.SetWindowTextW(_T("")); 370 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[1]); 371 m_ch1.ReplaceSel(str); 372 373 m_ch2.SetWindowTextW(_T("")); 374 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[2]); 375 m_ch2.ReplaceSel(str); 376 377 m_ch3.SetWindowTextW(_T("")); 378 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[3]); 379 m_ch3.ReplaceSel(str); 380 381 m_ch4.SetWindowTextW(_T("")); 382 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[4]); 383 m_ch4.ReplaceSel(str); 384 385 m_ch5.SetWindowTextW(_T("")); 386 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[5]); 387 m_ch5.ReplaceSel(str); 388 389 m_ch6.SetWindowTextW(_T("")); 390 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[6]); 391 m_ch6.ReplaceSel(str); 392 393 m_ch7.SetWindowTextW(_T("")); 394 str.Format(_T("%5.2f"), display_value[7]); 395 m_ch7.ReplaceSel(str);