【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. 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. 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 34401A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。
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
- 《Effective C++》；
- 《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：
https://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：
https://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);
