0 引言

在较为复杂的工业测控系统中，通常都有下位机和上位机。下位机主要是以单片机为核心，包含硬件和软件两部分[1-3]。上位机的主体则是PC端的软件，可采用VC#、Java等通用语言开发，也可采用LabVIEW、组态王等软件设计[4-5]。对于企业工程师，如何做到下位机和上位机协同设计，提高开发效率？对于高校学生，在离开实验室没有试验条件的情况下，如何做到下位机和上位机协同设计，提高学习兴趣，培养系统设计的意识？

本文以温度测控系统为例，提出了一个解决方法，即基于Proteus和组态王的温度测控系统联合仿真。该方法用Proteus设计下位机硬件、用Keil设计下位机软件、用组态王设计上位机，并实现下位机和上位机联合仿真。

1 系统综合仿真思路

1.1 系统组成

温度测控系统综合仿真框图如图1所示。整个系统由下位机和上位机组成。下位机采用Proteus软件设计，Proteus的显著特点是支持单片机系统仿真。上位机采用组态王设计，组态王是目前国内应用最广泛的工控组态软件。下位机和上位机之间通过串口通信，通信的命令与数据格式遵循Modbus协议，包括组态王在内的几乎所有组态软件都支持Modbus协议。

图1 系统组成框图

2 利用Proteus设计下位机

下位机采用Proteus软件设计，主要是因为Proteus具有单片机仿真功能。下位机的设计包括硬件设计和软件设计两个部分。

2.1 下位机硬件设计

下位机硬件主要功能包括：单片机电路、传感器电路、ADC电路、数字输入/输出电路、数码管显示电路、串口通信电路，如图2所示。下位机选用AT89C51单片机。AT89C51与Keil相结合的设计方法，是目前单片机教学中的首选组合方式。

图2 下位机框图

串口通信电路如图3所示。

温度传感器选用精密集成电路温度传感器LM35。其输出电压线性地与温度成正比，使用很方便。ADC选用MCP3001。MCP3001是带SPI接口的10位AD芯片。MCP3001的CLK、DO、CS脚分别与AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2相连。为提高测量精度，减小误差，MCP3001的参考电压VREF取4.096 V。

图3 串口通信电路

对于图3，需要特别说明的有三点：①在Proteus串口仿真上，必须选用COMPIM。COMPIM是串口COM的物理接口模型，通过它可以直接使用电脑的物理串口进行实际通信；②在Proteus串口仿真上，可以用COMPIM与单片机直接相连。因为Proteus在串口通信仿真方面，仿真的是逻辑功能，而没有考虑逻辑电平电压的大小。在实际设计电路板时，单片机串口通信电路必须通过电平转换芯片(如MAX232)实现TTL电平和RS232电平的相互转换；③与单片机相连的其他电路未画出。

自贸区知识产权保护中的瘤疾包括商标平行进口、贴牌加工贸易、过境货物、和转运货物中的知识产权侵权问题。重庆自贸区是全方位开放的，并极其重视服务业的发展，因此也可能面临这些知识产权侵权问题。

温度传感器电路与ADC电路如图4所示。

图4 温度传感器与ADC电路

土地市场随着经济的发展而变化，城市发展很多时候是以占用土地为代价的，很多企业社会团体为了发展经济大量征收土地，相比于农业发展，其他产业带来的利润空间巨大，这无疑对经济发展有积极作用；但是在另一方面考虑，有些行业在带来巨大利润的同时，造成的资源浪费以及生态破坏现象十分突出。

2.2 下位机软件设计

Modbus协议的帧格式如图5所示。

客户服务管理系统收到客户报修电话后,将在系统中生成一个停电事件,并提交至停电事件信息池。其故障研判搜索过程描述如下:

低碳行为碳减排量的核算是碳普惠制实施的前提条件及数据基础。通过专业数据库和交易服务平台，将居民的减碳行为（如绿色出行、垃圾分类回收、节气节电等）进行具体量化计算，将经核证的减排量依据一定原则转化为碳信用或碳积分等，并结合商业机制对民众进行奖励。推广碳普惠制，有利于提高民众低碳意识，调动全社会践行绿色低碳行为的积极性，降低生活领域碳排放，符合城市可持续发展的内在需求。

40 粉尘类固废制备EPS轻质混凝土及其物性特征 ……………………………………………………………吴 鑫，罗玉财，陈静波，伊力亚孜，安世康，马星星

Modbus协议是一种已广泛应用的通信协议，它采用主从通讯技术，即由主站主动查询和操作从站。主站所用协议为Modbus Master，从站所用协议为Modbus Slave。ModBus通讯协议分为RTU(远方数据终端)模式和ASCII(美国标准信息交换代码)模式两种。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是：在同样的波特率下，比ASCII模式传送的数据更多[6，7]。本设计中，下位机为从站，采用RTU模式，上位机为主站。

下位机软件利用Keil软件采用C语言编程。下位机软件功能主要包括：串口通信子程序、ADC温度测量子程序、显示子程序、数字输入/输出子程序、定时中断子程序等。串口通信采用Modbus协议，因此串口通信子程序的主要功能就是Modbus从站协议程序。ADC采用带SPI接口的MCP3001，因此ADC子程序的主要功能就是SPI程序。

①相关研究可参见潘国琪《试论蒋介石的“力行哲学”与孙中山“行易知难”说的关系》，《杭州师范学院学报》(社会科学版)1991年第2期;秦英君《蒋介石与中国传统文化》，《史学月刊》1999年第3期;黄道炫《力行哲学的思想脉络》，《近代史研究》2002年第1期;马振犊《南京国民政府时期蒋介石思想理论简析》，《民国档案》2003年第1期。

图5 Modbus协议帧格式

Modbus协议帧格式由地址码、功能码、数据区和校验码四部分组成，各部分的含义是：①地址码，1字节(8位)，从0到255，从站地址编号；②功能码，1字节(8位)，功能(任务)类别。完整的Modbus功能码有二十多种，常用的有：01、02、03、04、05、06、15、16等功能。其具体含义是：01功能，读取线圈状态；02功能，读取输入状态；03功能，读取保持寄存器；04功能，读取输入寄存器；05功能，强置单线圈；06功能，预置单寄存器；15功能，强置多线圈；16功能，预置多寄存器；③数据区，N字节，指主站要求从站执行的动作或由从站返送的信息，这些信息可以是数值或地址等；④校验码，2字节，采用CRC-16校验方法。

2)下位机软件主程序设计

下位机软件主程序的流程图如图6所示。

(1)新建从站。新建从站1，选用Modbus(RTU)协议，串口参数与下位机一致。

图6 下位机程序主流程图

下位机程序的主要功能包括两部分；①通过SPI接口读取MCP3001实现温度测量，并通过数码管显示温度；②侦听串口中断，并根据Modbus协议的帧格式对串口接收到的数据进行分析。如果接收到完整的Modbus帧，则判断该帧的功能，即主站对从站的要求，并对主站要求进行响应。

3 利用组态王设计上位机

上位机软件采用组态王6.53设计，通过Modbus协议与下位机通信[8，9]。上位机设计的主要内容有三部分：

鲨鱼的宿命并不比鳕鱼好到哪里去，看过《海洋》的人，都会对鲨鱼被割掉背鳍和尾鳍，然后被活生生地丢回大海的片段感到难过。在唱诗班沉重低吟的音乐背景下，鲨鱼习惯性地试图摆动业已不见的鳍，痛苦而绝望地坠入海底，等待死亡。我真希望你没有看到这一幕。“它们花了几百万年进化到今天，却在几十年内消失了，因为人类”——环保主义者说人类是“地球之癌”。我希望你长大后，能成为一个有反省能力的人，能过一种更有意思的生活，懂得人的局限，懂得自然之美，并且和自然万物和平共处。

1)Modbus从站协议

(2)新建变量。本设计中，主要变量有：tempValue，I/O实型，温度数据；tempValueMax，I/O实型，温度上限；tempValueMin，I/O实型，温度下限；ledRun，I/O离散，下位机运行状态；ledTempAlarmHigh，I/O离散，实时温度超上限指示；ledTempAlarmLow，I/O离散，实时温度超下限指示。

(3)新建主画面。主画面由实时温度、设置温度上下限、运行LED、温度超上限LED、温度超下限LED、历史曲线图组成。

4 联合仿真过程与联合仿真结果

4.1 联合仿真过程

联合仿真的过程是：①采用VSPD生成配对的虚拟串口COM3和COM4，下位机选用COM3，上位机选用COM4。②调试下位机；③调试上位机；④下位机和上位机联合仿真调试。

联合仿真过程中，主要的工作在于调试下位机的Modbus从站协议子程序。在调试Modbus从站协议中，需要监测Modbus协议帧。采用Modbus调试工具软件可方便监测到串口通信的帧格式，提高调试效率。本设计在具体做法是：①采用VSPD生成配对的虚拟串口；②采用Modbus调试软件ModbusPoll作为上位机，调试用Proteus设计的下位机。ModbusPoll作为Modbus主站，向Proteus设计的从站发送查询指令，方便对Modbus各个功能码的调试；③采用Modbus调试软件ModbusSlave作为下位机，调试用组态王设计的上位机。ModbusSlave作为Modbus从站，可以接收并查看作为主站的组态王发送来的指令，方便对Modbus协议的理解；④下位机和上位机联合仿真调试。

4.2 联合仿真结果

运行Proteus软件仿真下位机，同时运行组态王设计的上位机，即可实现系统联合仿真。联合仿真结果如图7所示。

(a)下位机(传感器与显示部分)

(b)上位机 图7 系统联合仿真结果

下位机仿真中，为便于观察仿真效果，把传感器LM35和数码管放在一起，如图7(a)所示。上位机仿真中，设置温度上限为70，设置温度下限为30。当点击LM35中“↓”或“↑”，可以看到Proteus中LM35上的温度值、数码管上的数值和组态王中实测温度的数值都发生改变，且三个数值相等。当实测温度超出设定的温度上限时，温度超上限灯亮。当温度值超过设定的温度下限时，温度超下限灯亮。

5 结语

本文介绍的温度测控系统联合仿真，利用Proteus设计下位机的硬件，利用Keil设计下位机的软件，利用组态王设计上位机。下位机和上位机之间采用Modbus协议通信，利用VSPD产生配对的虚拟串口，实现了基于Proteus和组态王的系统综合仿真。该联合仿真有助于解决实验设备不足的问题，对培养学生系统性设计思维有较大的启迪，对于单片机应用系统设计、工控组态系统开发、Modbus协议的调试有一定的参考价值

参考文献:

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[2] 王丽, 王志凌, 钟丽娜. “项目式教学”在《单片机》课程中的探索[J]. 西安: 物联网技术, 2016, 6(7):113-114.

[3] 莫莉, 喻洪平, 何欣. 单片机课程教学体系改革与实践[J]. 成都: 教育与教学研究, 2016, 30(6):105-110.

[4] 万松峰. Proteus在单片机理实一体化教学的应用[J]. 成都: 实验科学与技术, 2016, 14(1):85-88.

[5] 刘青, 任晓芳. Proteus仿真软件在单片机原理及应用课程教学中的应用[J]. 北京: 中国教育技术装备, 2016(20):52-54.

[6] 孙百才, 李文铅, 樊福杰,等. 基于ModbusRTU协议的单片机与组态软件的通讯设计[J]. 上海: 电子技术, 2016(1):56-58.

[7] 孙万麟. 基于Proteus的单片机通信电路设计[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2016, 35(10):135-138.

[8] 李图江. 基于单片机和组态王的温度监控系统的设计[J]. 北京: 科技与企业, 2015(4):106-106.

[9] 王岩, 孔祥新, 董笑甜,等. 基于ASCII的单片机与组态王的通讯设计[J]. 上海: 电子技术, 2016(1):71-73.