建筑能耗监测管理系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)

建筑能耗监测管理系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

当共模电压超过 +12v 或者小于 9v时，就很可能烧毁芯片或设备。 所以，在大多数的工业现场，都会使用隔离型 485芯片，由于条件有限，所以本设计中采用的是没有隔离型的 MAX485 芯片，在实际应用中可以使用完全隔离型 RS485 电路，可采用 ADM287E 芯片或者其它隔离型 485芯片。 485 总线时，总线上由于信号的传输会产生回波反射 信号，所以在总线的两端应当并联终端电阻。 485 总线电路中的供电部分可以分为两种：一种是有源供电，另一种是无源供电，由于无源供电占用空间小，所以在本设计中采用的是无源供电，具体的电路将在第五章说到。 无源供电虽然占用空间小，但是供电能力差，负载能力不足，而且稳定性不够，所以在实际工业现场建议使用有源供电的方式。 485 总线时要注意的一点是，要将使用的屏蔽双绞线的屏蔽层一个点接地，不能多点接地，这样可以防止共模干扰。 RS485 总线布线方法 RS485 总线在工业中得到广泛的应用，最典型的 布线方式就是总线型拓扑结构。 但是在工业现场中会涉及到不用的领域，不同的现场环境，所以在实际的应用中会采用不同的拓扑形式，仅仅采用总线型不仅会是线路变得繁琐，而且还会浪费大量的连线。 所以在工业现场中，可以使用 485 集线器或者 485 中继器，这样就可以将总线型拓扑结构很容易的就改成树型或者星型拓扑网络。 这样不仅变得更加灵活，而且在后期的维护或者出现问题时会更加的方便。 北京联合大学 毕业设计 7 3. Modbus 通信协议 Modbus 协议概述 Modbus 通信协议使用在工业通信中非常常用的一种通信协议。 Modbus 通信协议是由 Modicon 公司（现为施耐德电气公司的一个品牌）在 1979 年发明的， Modbus是全球第一个真正应用于工业现场的总线协议而且它也是目前工业、建筑、基础设施等领域中被广泛应用的通信协议之一。 现已有超过 75%的非施耐德公司产品使用Modbus 通信协议并且节点数安装超过了 1000 万个。 Modbus 的特点：（ 1） Modbus 协议完全免费，为所有用户开放，而且支持 Modbus的产品多。 （ 2）支持多种电气接口和各种传输介质。 （ 3） Modbus 传输帧格式简单、传输效率高、可靠性高。 Modbus 在 OSI（ Open System Interconnection 开放式系统互联通信参考模型）的第二层，具体的 Modbus 协议和 OSI 模型如表 31 OSI 模型。 表 31 OSI 模型 Modbus 采用的是主从模式通信结构，它可以以一个主站对一个或多个从站进行通信。 可以提供 RS232 或者 RS422/485 通信接口，有两种通信模式： RTU和 ASCII形式。 Modbus 物理层 在新的 Modbus 串行解决方案中是根据 RS485 标准来实现电气接口的，可以实现两线制和四线制两种配置。 在本设计中采用的是两线配置，支持点对点和多点系统。 在实际工程中的传输介质方面可以采用接线端子、 RJ45 或者 9 芯 D 型连接器。 层 ISO/OSI 模型 7 应用层 Modbus 应用协议 6 表示层 空 5 会话层 空 4 传输层 空 3 网络层 空 2 数据链路层 Modbus 串行链路协议 1 物理层 EIA/TIA485 北京联合大学 毕业设计 8 两线制在总线工作时只能有一个驱动器有权发送信号，所以在抗干扰能力上要比普通串口通信更加可靠。 在实际工业现场，在总线两端要有线路终 端（ LT）、上拉电阻和下拉电阻。 在电路图和撰写文档是要使用 D0、 D1 和公共端，这样可以方便实现互操作。 两线制的拓扑结构图 如图 拓扑结构图 所示。 图 拓扑结构图 在实际工程当中，电缆的选择也是非常重要的，这会影响的实际工程中的通信。 在使用 RJ45 时，一般选用 5 类或者超五类屏蔽双绞线。 必须选择足够宽的电缆直径， 这样可以增加传输的长度，满足用户的需要。 协议报文 Modbus 协议定义了通信时每一帧数据的格式，通用 Modbus 帧如图 Modbus帧所示。 图 Modbus 帧 在 Modbus 通信协议中规定了传输的一帧数据中的内容，首先是起始位，然后是地址位，其次是功能码，其次是数据位，最后是校验位和停止位。 在默认的情况下应默认为偶校验。 在 Modbus 通信协议当中，功能码决定着不同通信功能， Modbus 功能码有公共功能码、用户功能码和保留功能，这些功能码可以提供给不同需求的人。 Modbus 功能码有很多，在这里就不多一一介绍了，这里主要介绍两个在本设计 北京联合大学 毕业设计 9 中用到的功能码： 03（ 0x03）和 06（ 0x06）。 03（ 0x03）是读保持寄存器 03（ 0x03）功能是把在现场的智能仪表中的数 据从仪表中的寄存器中读取出来，可以指定其实寄存器地址和寄存器的数量来读取。 当主机发送命令时分为请求和相应。 请求时：其中功能码 1 字节 0x03，起始地址 2 字节 0x0000 到 0xFFFF，寄存器数量 2 字节 1~125。 响应时：功能码 1 字节 0x03，字节数 1 字节 2N（寄存器的数量），寄存器值 N2 字节。 如果在通信时出现错误时， 1 字节差错码 0x83 和 1 字节异常码 01 或 02 或 03 或 04。 06（ 0x06）是写单个寄存器 因为本设计中设计到对下位机数据的写入，所以在这里介绍一下 06 功能码。 06功能码是对现场智能仪表中的寄 存器进行写入，可以写入用户所需要的智能仪表中的寄存器地址。 但是在建筑能耗监测系统中，很少写入寄存器，只需要读出仪表中寄存器的数据即可。 当主机发送命令时分为请求和相应。 请求时：其中功能码 1 字节 0x06，其中寄存器地址 2 字节 0x0000 到 0xFFFF，寄存器数量 2 字节0x0000~0xFFFF。 响应时：功能码 1 字节 0x06，寄存器地址 2 字节 0x0000~0xFFFF，寄存器值 2 字节 0x0000~0xFFFF。 如果在通信时出现错误时， 1 字节差错码 0x83 和1 字节异常码 01 或 02 或 03 或 04。 两种串行传输 模式 ASCII 模式 ASCII（美国信息交换标准代码）模式是当通信链路和设备不能够满足 RTU 模式是才会使用的一种模式，在实际的工程中很少用到。 因为由于 ASCII 的传输模式要每个字节发送两个字符，所以在传输时效率很低。 ASCII 模式中的每个字 节的格式为十六进制，也就是 0~ A~F。 它有 1 个起始位， 8 个数据位， 1 个奇偶校验位和 1 个停止位。 奇偶校验位中既可以是奇校验也可以使偶校验，而且还支持无校验，这样就可以支持更多的产品提升了兼容性。 早默认的情况下必须是偶校验。 如果是在无校验位的时候则需要两个停止位，其中一个停止位是为了填充校验位字符帧的。 在 Modbus 中规定再用 ASCII 模式时，帧校验要用 LRC（纵向冗余）校验。 RTU 模式 RTU 模式是在现场中经常使用到的一种模式 ，在默认的情况下默认设置必须设为 RTU模式。 在 Modbus 串行链路上使用 RTU 模式通信时的优点就是在相同的波特率下要比 北京联合大学 毕业设计 10 ASCII 模式在数据传输时有更高的数据吞吐量，有较高的字符密度。 RTU模式中每个字节的格式为二进制，它有 1 个起始位， 8 个数据位， 1 个奇偶校验位和 1 个停止位。 在默认的情况下要设置为偶校验，与 ASCII 模式一样，也支持奇校验和无校验，在无校验位时要添加一个停止位来填 充校验位字符帧。 在 Modbus 中规定再用 RTU模式时，帧校验要用 CRC（循环冗余）校验。 在使用 RTU模式时要注意在发送每一帧数据时，帧与帧之间的空闲必须要大于 个字符的时间，这样才能区分开报文帧。 而且在每个字符发送的时候，每个字符的间隔要小于 个字符的时间，如果大于 个字符则认为报文帧不完整。 RTU报文帧如图 RTU报文帧所示。 图 RTU 报文帧 差错校验方法 在 Modbus 协议对于数据传输的准确性和安全性来说使用了两种校验方法，一部分是利用了奇偶校验来应用于报文帧 中的每一个字符当中的校验方法。 另一部分是利用 LRC 或者 CRC 校验来应用于整个报文的校验算法。 LRC 校验 LRC（纵向冗余）校验是在 ASCII 模式当中的校验方法， LRC 校验位 1 个字节，其中包括 8 位二进制数。 在发送数据时，经过 LRC 校验计算把 LRC 校验码放入发送的报文帧当中。 接受到数据后计算机马上对收到的数据进行 LRC 校验，得到 LRC校验值后与发送来的 LRC 校验值进行比较，如果相等则无错误，如果两个值不等则产生错误。 生成 LRC 校验值 过程如下： “冒号”和结束 CRLF，把报文中其他所有字节相加，将结果放 北京联合大学 毕业设计 11 在 8 位字段中。 1 的十六进制中减去最终的字段值，产生 1 的补码。 1 产生二进制补码。 这样得出的值即为 LRC 校验值，发送 8 位 LRC 校验值时，要注意的是先发送高位再发送低位。 CRC 校验 在最常用的 RTU 模式当中校验方式采用的是 CRC（循环冗余）校验， CRC 校验包括两字节， 16 位二进制，校验过程与 LRC 校验类似。 在发送时进行 CRC 校验值得计算，然后把 CRC 校验值添加到报文帧当中，把一帧完整的数据发送出去。 接受数据 的时候，设备从新计算 CRC 校验值，并且与之前发来的 CRC 校验值进行比较，如果不同则出现错误，相同则无错误。 在 CRC 校验中，只有数据位参加 CRC 的计算。 CRC 校验值的计算方法是：讲一个全 1 的数放在 16 位寄存器当中，将报文中的第一个 8 位字节与 16 位寄存器的低字节异或并保存在 16 位寄存器当中，再将寄存器中的值右移， MSB 填充 0，提取并检验 LSB。 LSB 为 0 则再次移位， LSB 为 1 则与 0xA001 异或，直到八次移位。 再对报文中的下一个 8 位字节进行以上的计算直到处理完所有的报文为止，最终得出 CRC 校验值。 北京联合大学 毕业设计 12 4. 下位机系统设计 下位机系统硬件设计 为了能够建立整个的系统，所以在本设计中设计了下位机进行与上位机的通信，本设计中的下位机主要作用是模拟真实智能仪表的功能。 在实际工程中，上位机与下位机的通信其实就是用计算机读取下位机中的寄存器，每个智能仪表中的数据都会存储在相对的寄存器中，在使用说明书。