【应用笔记】【AN001】VC#开发环境下基于以太网的4-20mA电流采集(基于modbus tcp 协议)

版本：第一版作者：毛鹏杨帅日期：20151108

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。

图1 系统组成框图

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#开发环境介绍

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，便于实现。

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. 在IP Address里设置IP；

2. 在Port里面设置端口，一般固定为502端口；

3. 点击connect按键，此时会自动连接以太网，此按键变为disconnect；

4. 点击start按键，开始采集电流；

5. 点击stop按键，停止采集；

6. 点击disconnect按键后，则断开以太网，清除数据。

软件核心代码

（1）Modbus function3功能读取保持寄存器

Modbus function3功能读取保持寄存器如附录1所示，该段程序由一个调用函数组成，程序的第128至148行，是寄存器的设置。第149至第162行，是将数据存入寄存器并读取数据。第163至166是将data的数据转换成float类型存入value中。

（2）显示通道数据

显示通道数据代码如附录2所示，此段程序主要截取的为0通道显示数据，由三个主要函数组成，其余的7个通道可用与之相同的方法实现。

测量采集演示及说明

配备工具或软件

1. 12V直流电源；

2. 两个PT100铂电阻温度传感器；

3. 两个SBWZ温度变送器；

4. 一个以太网接口8通道4-20mA电流采集模块（GM4008）；

5. Aligent 3440A台式六位半数字万用表；

6. 开发环境：Visual Studio 2015（所需软件由用户自行下载）；

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. 根据系统主要硬件连接图（图3）连接各组件；

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. 然后在程序界面设置好IP以及端口；

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。

表1 实验各项数据表

被测对象	GM4008测量值	万用表测量值	换算温度
火焰（CH0）	19.57mA	19.58mA	389℃
热水（CH1）	7.60mA	7.61mA	90℃

（2）实验验证

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：

y=25*x-100

对应测量的电流值对照计算知所测水温为大约90℃，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. 《C#高级编程》

2. 《C#图解教程》