【应用笔记】【AN003】VC++环境下基于以太网的4-20mA电流采集

简介

4-20mA电流环具有广泛的应用前景，在许多行业中都发挥着重要作用。本文主要介绍了以太网接口的4-20mA电流采集模块在VC++环境下进行温度采集，实现WINDOWS平台对数据的采集、分析及显示。

系统组成及工作原理

系统组成主要包括PT100铂电阻、SBWZ温度变送器、4-20mA电流采集模块（GM4008）以及上位机软件组成，如图1所示。

 

PT100铂电阻温度传感器：利用铂金属阻值随温度的变化而变化的特性制成的一种温度传感器，主要用来测量温度的变化量。

SBWZ温度变送器：一种现场安装式温度变送单元，主要将铂电阻的信号变换成线性的4-20mA的输出信号。

4-20mA电流采集模块（GM4008）：以太网接口的GM4008电流采集模块，主要实现数据的传输，并通过以太网接口与上位机进行通讯。

上位机：制作上位机界面，实现被测数据的采集、分析和显示。

系统工作过程中，当温度发生变化时，PT100铂电阻温度传感器的电阻值发生变化，其阻值经过SBWZ温度变送器转换为

 4-20mA的电流信号，并通过4-20mA电流采集模块（GM4008）与上位机通讯，从而实现温度的采集、分析及显示。

电流采集模块

系统采用以太网接口的8通道4-20mA电流采集模块（GM4008），不仅能更加快速、精确的把测量数据传送给上位机，保证系统的效率，而且可以使系统的信息传输更加稳定。

GM4008简介

GM4008 8通道4-20mA电流采集模块（以下简称模块）采用全电器隔离方案，配合高性能微处理器及8通道12位ADC在较小的体积下完成了电流测量功能。

模块内置高性能电源变换电路，供电电压范围宽至7.5V-36V，且效率高达90%以上。此特性为长时间使用的电源稳定性提供保障。模块内置1500V双隔离电源模块，使得供电输入、模拟测量精度、模块稳定性及通用性提供保证。

模块内置百兆以太网电路，可完成远距离4-20mA数据采集功能。长时间使用稳定可靠，抗干扰强、不掉线。

模块内置32位的高性能ARM微处理器，它不但完成8通道、12位电流采集，而且支持固件升级功能，为后期功能升级和bug修复提供技术保证。

VC++上位机程序设计

VC++环境的介绍

该通信测试界面采用Visual Studio2015  (VC++)实现，软件界面如图2所示。Visual Studio2015是微软公司推出的开发软件，具有基本完整的开发工具集，包括了如UML工具、代码管控工具、集成开发环境等工具，可实现基于C++的Modbus串口通信，该界面设计简洁清晰，操作简单。

 

图2 软件界面

软件使用方法

软件界面如图2所示，操作方法如下：

1. 1.         在IP Address里设置IP；
2. 2.         在Port里面设置端口，一般固定为502端口；
3. 3.         点击connect按键，此时会自动连接以太网，此按键变为disconnect；
4. 4.         点击start按键，开始采集电流；
5. 5.         点击stop按键，停止采集；
6. 6.         点击disconnect按键后，则断开以太网，清除数据。

软件的核心代码

（1）Modbus function3功能读取保持寄存器

Modbus读取数据程序如附件1所示，该段程序由一个Modbus3函数组成，程序先是对的第324至342行，是对寄存器的设置。第346至第358行，是数据的发送与读取方式。第360至362行是数据的类型转换。

（2）显示通道数据

显示通道数据代码如附录2所示，此段程序主要为8个通道数据显示。每个通道都是从寄存器读取数据再显示出来。

测量采集演示及说明

配备工具或软件

1. 1.         12V直流电源；
2. 2.         两个PT100铂电阻温度传感器；
3. 3.         两个SBWZ温度变送器；
4. 4.         一个以太网接口8通道4-20mA电流采   集模块（GM4008）；
5. 5.         Aligent 34401A台式六位半数字万用表；
6. 6.         开发环境：Visual Studio 2015（所需软件由用户自行下载）；
7. 7.         操作系统：WIN7以上。

系统连接方法

本次实验主要采集两个通道的电流数据，为了保持图片连线清楚整洁，只接入1个SBWZ，另一个连接方式相同。系统主要硬件连接如图3所示。

 

图3 系统主要硬件连接图

测试步骤

1. 1.         根据系统主要硬件连接图（图3）连接各组件；
2. 2.         接入两个温度变送器，GM4008配置两个通道，将CH0设定为打火机火焰测试数据采集通道，CH1设定为热水数据采集通道；
3. 3.         然后在程序界面设置好IP以及端口；
4. 4.         将两个温度变送器的PT100铂电阻分别放入热水中与打火机火焰中（具体操作为点击界面的connect按钮，连接以后点start按钮，系统会自动连接以太网采集数据，操作简单方便）。

测试结果

实验采集到的数据如图4所示，为了证明测试结果的准确性以及得到准确的温度，进行精度验证与实验验证算两个步骤。

 

图4 实验采集数据图

（1）精度验证

为了验证所测电流值的准确度，把Aligent 34401A 六位半高精度万用表串联到SBWZ温度变送器后端的电路中，将万用表的电流读数与上位机显示的电流度数进行对比。实验结果如表1所示，经过多次实验，两组数据结果基本相同。

由SBWZ温度变送器以及PT100铂电阻的量程之间的关系，得出实际测得电流与温度之间符合关系式：（2）实验验证

y=25*x-100

对应测量的电流值对照计算知所测水温为大约87℃，火焰大约为389℃（由于火焰温度高于量程，所以到19mA以后停止实验，以免损坏设备）与实际相符。

由测试可知：本系统基于VC++开发环境通过以太网测得的数据是真实可靠的，可应用于实际中。

总结

本文通过Visual studio 2015上位机编程实现了VC++环境下以太网的Modbus通信，可完成工业自动化控制系统中的远程数据采集及监测等功能。该通信系统编程模式简单、易于使用、有较强的实用性。

参考资料

1.     《Effective C++》；
2.     《C++程序设计语言》

相关资源下载

1、Visual Studio 2015下载地址：

https://www.visualstudio.com/downloads/download-visual-studio-vs

2、GM4008 简易手册：

http://files.cnblogs.com/files/xiaomagee/GM4008%E7%AE%80%E6%98%93%E6%89%8B%E5%86%8CV1.0.pdf

3、GM4008 用户手册：

http://files.cnblogs.com/files/xiaomagee/GM4008%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.0.pdf

4、GM4008 购买地址：

https://item.taobao.com/item.htm?id=522185223217

5、本资料源代码包、PDF 文档下载：

链接: http://pan.baidu.com/s/1sj6Aifj 密码: jw9g

http://pan.baidu.com/s/1pJnbxvP

 

附录1：Modbus 功能码3读取数据程序

300 //modbus发送并读取数据
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         //事务元表示符
325         sendbyte[0] = (id >> 8) & 0x00ff;
326         sendbyte[1] = id & 0x00ff;
327         //协议表示符
328         sendbyte[2] = 0x00;
329         sendbyte[3] = 0x00;
330         //以下字节的长度
331         sendbyte[4] = 0x00;
332         sendbyte[5] = 0x06;
333         //单元标识符
334         sendbyte[6] = 0x01;
335         //功能码
336         sendbyte[7] = 0x03;
337         //读取寄存器起始地址
338         sendbyte[8] = (start_address >> 8) & 0x00ff;
339         sendbyte[9] = start_address & 0x00ff;
340         //读取寄存器数量
341         sendbyte[10] = (read_number >> 8) & 0x00ff;
342         sendbyte[11] = read_number & 0x00ff;
343 
344         response_length = read_number * 2 + 9; 
345         //发送读取命令
346         send(s, sendbyte, 12, 0);
347         //读取数据
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 

附录2：显示通道数据程序

364         //显示采集数据
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);