一种Modbus可扩展数据采集器

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种Modbus可扩展数据采集器。

背景技术

在Modbus数据采集的应用当中，目前普遍采取的数据采集方式为将Modbus串联至一根总线，总线与Modbus交换机进行连接，上层的数据采集程序通过Modbus交换机实现底层Modbus设备的数据采集，Modbus交换机通常并不对底层的Modbus设备的原始数据进行处理，数据的处理工作由上位机完成。该种采集方式所面临的问题在于：

1.针对底层各种不同Modbus设备需要在上位机软件中进行不同的数据适配处理，且所有工作均交由上位机完成将对上位机的稳定性有较高的要求，上位机的崩溃将导致所有数据采集工作的阻塞。

2.传统方案缺乏灵活性，Modbus交换机通常为固定接口数量，一旦在选型确定后需要增加底层数据采集设备时将面临设备接口数是否够用的问题。

3.对于底层设备的数据溯源并不友好，Modbus采用从机ID的形式应对Modbus响应，则对于上位机而言，上层系统需要将对应接口及从机编号的Modbus设备进行记录，才能够正常进行数据转换，在底层Modbus设备新增或进行更换时，系统的调试时间及成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提出了一种Modbus可扩展数据采集器。本发明中，Modbus设备可独立进行配置，单个采集器的崩溃不会影响整体的数据采集工作，整体系统的稳定性及可维护性得到极大的提升，减少工作量，节约调试成本。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种Modbus可扩展数据采集器，包括电源电路模块、交换机模块、网络模块、主控模块和Modbus端口；所述的主控模块包括Modbus芯片和MCU芯片；所述的MCU芯片包括Flash存储功能；所述的电源电路模块为所述的Modbus可扩展数据采集器提供电源；所述的交换机模块与网络模块通过LAN口建立链接，通过建立DHCP链接传输数据；所述的网络模块与MCU芯片通过SPI口建立链接；所述的MCU芯片与Modbus芯片通过RS485连接；所述的主控模块与Modbus端口连接；所述的交换机模块为以太网交换芯片，用于接收网络模块的数据，并且通过预置接口连接另一台Modbus可扩展数据采集器的交换机模块，形成同等级网络交互，最终上传至智能终端，智能终端将数据进行本地计算后转发至云端；所述的网络模块为以太网芯片；所述的网络模块与上层终端通过Websocket协议建立网络连接，在Websocket连接握手阶段将所述的Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息上传至上层终端内；所述的MCU芯片为单片机，单片机将串口形式的信号传输到电平转换芯片；所述的MCU芯片根据Modbus可扩展数据采集器的基本信息对读取的数据地址进行分片查询划分，向底层的Modbus设备发起数据读取请求；所述的Modbus芯片为电平转换芯片，将串口的TTL信号转换成抗干扰能力强的485信号。

进一步，采集的Modbus设备配置信息以结构体的形式储存在所述的MCU芯片内，储存的结构体的内容为：采集项的名称、采集项所需读取的Modbus寄存器编号、采集后需要转换的数据类型、采集操作的功能码、数据转换参数、采集后需与其他采集项进行相乘操作的其他采集项名称和数据阈值范围。

进一步，所述的以太网交换芯片采用IP175G。IP175G采用0.18um工艺，128-PQFP封装，具有较强的抗干扰能力。

进一步，所述的以太网芯片采用W5500。W5500是一款高性价比的以太网芯片，其全球独一无二的全硬件TCPIP协议栈专利技术，解决了嵌入式以太网的接入问题，简单易用，安全稳定。

进一步，所述的电平转换芯片采用MAX232。

Modbus可扩展数据采集器的工作原理：

（1）将Modbus可扩展数据采集器的以太网芯片与智能终端通过Websocket协议建立网络连接，在Websocket连接握手阶段将Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息上传至智能终端内，智能终端则根据该信息知晓Modbus数据采集器的序列号、名称信息；Modbus端口与底层Modbus设备连接；

（2）Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息由智能终端控制，以太网芯片通过SPI串行通信，将基本配置信息下发至单片机内储存；

（3）单片机将串口形式传输信号传到电平转换芯片，电平转换芯片负责将串口的TTL信号，转换成抗干扰能力强的485信号，单片机根据基本配置信息内容先对Modbus设备存储数据的寄存器地址进行分片查询划分后，再向底层的Modbus设备发起数据读取请求；

（4）Modbus可扩展数据采集器开始读取采集初始化，Modbus可扩展数据采集器将Modbus设备配置信息依据地址位范围进行分片操作，得出分片信息，将其采集的Modbus设备配置及分片信息存入存储于单片机内，Modbus可扩展数据采集器初始化操作完成，进入不间断设备数据轮询的采集阶段；

（5）读取到Modbus设备的数据后依据基本配置信息自动进行数据的低端转换组织为JSON数据格式，改变数据原有的以寄存器数值的形式，赋予数据含义；

（6）经过转换后的JSON数据包通过以太网芯片进行发送，以太网芯片通过DHCP链接将数据转传输至以太网交换芯片；

（7）以太网交换芯片接收以太网芯片传输的数据，通过预置接口连接另一台Modbus可扩展数据采集器的以太网交换芯片，形成同等级网络交互，最终上传至智能终端，智能终端将数据进行本地计算后转发至云端。

本发明技术方案具有以下有益效果：

Modbus可扩展数据采集器经过下发配置后，可将原本的单个Modbus设备的寄存器无数据意义的数据转换为带有数据含义的JSON数据包，对于Modbus可扩展数据采集器下挂的多个Modbus设备可独立进行配置，从而实现Modbus设备的精细化数据采集配置控制，分担原本由上位机所进行的数据转换操作，且单个Modbus可扩展数据采集器的崩溃不会影响整体的数据采集工作，整体系统的稳定性及可维护性得到极大的提升。在需要改变底层Modbus设备时，无需结合整体系统调试Modbus设备点位，仅需要将Modbus设备配置下发至相应的Modbus可扩展数据采集器则MCU芯片将自动进行处理，简化整体系统在处理Modbus设备的更换、增加时的工作量，节约调试成本。

附图说明

图1是本发明的构造连接示意图。

图2是多个Modbus可扩展数据采集器的数据传输连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种Modbus可扩展数据采集器，如图1和图2所示包括电源电路模块、交换机模块、网络模块、主控模块和Modbus端口；所述的主控模块包括Modbus芯片和MCU芯片；所述的MCU芯片包括Flash存储功能；所述的电源电路模块为所述的Modbus可扩展数据采集器提供电源；所述的交换机模块与网络模块通过LAN口建立链接，通过建立DHCP链接传输数据；所述的网络模块与MCU芯片通过SPI口建立链接；所述的MCU芯片与Modbus芯片通过RS485连接；所述的主控模块与Modbus端口连接；所述的交换机模块为以太网交换芯片，用于接收网络模块的数据，并且通过预置接口连接另一台Modbus可扩展数据采集器的交换机模块，形成同等级网络交互，最终上传至智能终端，智能终端将数据进行本地计算后转发至云端；所述的网络模块为以太网芯片；所述的网络模块与上层终端通过Websocket协议建立网络连接，在Websocket连接握手阶段将所述的Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息上传至上层终端内；所述的MCU芯片为单片机，单片机将串口形式的信号传输到电平转换芯片；所述的MCU芯片根据Modbus可扩展数据采集器的基本信息对读取的数据地址进行分片查询划分，向底层的Modbus设备发起数据读取请求；所述的Modbus芯片为电平转换芯片，将串口的TTL信号，转换成抗干扰能力强的485信号。

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处仅在于，采集的Modbus设备配置信息以结构体的形式储存在所述的MCU芯片内，储存的结构体的内容为：采集项的名称、采集项所需读取的Modbus寄存器编号、采集后需要转换的数据类型、采集操作的功能码、数据转换参数、采集后需与其他采集项进行相乘操作的其他采集项名称和数据阈值范围。

实施例3：

本实施例与实施例2不同之处仅在于，所述的以太网交换芯片采用IP175G；所述的以太网芯片采用W5500；所述的电平转换芯片采用MAX232。

上述实施例的Modbus可扩展数据采集器的工作方法（工作原理）：

（1）将Modbus可扩展数据采集器的以太网芯片与智能终端通过Websocket协议建立网络连接，在Websocket连接握手阶段将Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息上传至智能终端内，智能终端则根据该信息知晓Modbus数据采集器的序列号、名称信息；Modbus端口与底层Modbus设备连接；

（2）Modbus可扩展数据采集器的基本配置信息由智能终端控制，以太网芯片通过SPI串行通信，将基本配置信息下发至单片机内储存；

（3）单片机将串口形式传输信号传到电平转换芯片，电平转换芯片负责将串口的TTL信号，转换成抗干扰能力强的485信号，单片机根据基本配置信息内容先对Modbus设备存储数据的寄存器地址进行分片查询划分后，再向底层的Modbus设备发起数据读取请求；

（4）Modbus可扩展数据采集器开始读取采集初始化，Modbus可扩展数据采集器将Modbus设备配置信息依据地址位范围进行分片操作，得出分片信息，将其采集的Modbus设备配置及分片信息存入存储于单片机内，Modbus可扩展数据采集器初始化操作完成，进入不间断设备数据轮询的采集阶段；

（5）读取到Modbus设备的数据后依据基本配置信息自动进行数据的低端转换组织为JSON数据格式，改变数据原有的以寄存器数值的形式，赋予数据含义；

（6）经过转换后的JSON数据包通过以太网芯片进行发送，以太网芯片通过DHCP链接将数据转传输至以太网交换芯片；

（7）以太网交换芯片接收以太网芯片传输的数据，通过预置接口连接另一台Modbus可扩展数据采集器的以太网交换芯片，形成同等级网络交互，最终上传至智能终端，智能终端将数据进行本地计算后转发至云端。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。