多通信接口的mbus主站中继器的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

多通信接口的mbus主站中继器的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

发展，最初由计量 工人挨家挨户的直接读取到今天的智能化自动抄表技术的完善，种种迹象表明我国已经加快了现代化的步伐。 但是，由于某些方面的原因，远程抄表系统并未完善 ，即 便是 新型的 RS485总线传输技术代替了原有的手工抄表，但是还是有很多问题亟待解决 [1]。 传统的 RS485总线通 信 设备容量少，最多接入数量不超过 128个 ，不适合现代化的楼宇之间的信息传输；通 信 速率非常容易受距离的限制，当通 信 距离超过 数百米时，其可靠的通 信 速率小于 1200bps；非隔离 的 方式 使得 RS485芯片不能应用 于 长距离户外通 信 ，隔离方式需要 提供 隔离电源，成本较高 ；不能给从设备供电，从 设备需要单独外加电源供电； 布线拓扑只能为串行布线，不能构成星形等任意分支，但是串行布线对小区 的实际布线设计难度太大； 远 距离通 信 时， RS485芯片容易损坏。 M_BUS 总线是欧洲新型的仪表总线 ， 是由德国 Paderborn 大学的 Ziegler 和德国 Techem AG公司 、 Texas Intrument 公司共同开发的， 基于 ISO/OSI 模型 四 层模型，用到了其中 的 物理层、数据链路层 、网络层 和应用层，其中数据链路层 协议 采用 IEC870 标准，应用层协议采用 EN14343 标准。 在欧洲， M_BUS 总线 由于其 特有的 总线供电模式 而 被广泛的应用于 水 、 电 、 气 远程抄表系统 ，并且 由于其实时性相对较好可以广泛用于智能化控制总线和火灾报警系统。 M_BUS 通 信高速稳定 （ 2400m，可靠传输波特率为 4800bps） 、静态功耗低 、 可接入站点容量大 、使用普通双绞线 、抗干扰能力强、 总线拓扑任意 、 预留多种通 信 协议，扩展极为方便。 传统的 RS485 数据 集中系统 传输速度慢、实时性差、安装麻烦、抗干扰能力弱等已经难以适应现 现代 数据 集中 的要求 ，而 基于 M_BUS 总线传输的数据集中器具有所有 M_BUS 的优点。 并且 ，传统的 RS485 数据 集中器 一般只是针对某种总线传输的进行设计，当工业生产中数据传输总线接口发生改变时，传统的数据 中继系统 由于接口不匹配， 不能适应现有的总线接口，导致原有的 RS485工程硕士学位论文 5 数据 中继系统不能使用， 造成工业生产的浪费，不利于企业发展 [2,3]。 针对传统 RS485 数据集中器 的不足，研究和讨论了一种新的数据 集中 系统的设计方案。 系统采用综合设计的思想，提出了一种具有多 通 信 接口的高速数据采集系统设计方案，该数据采集系统结合 了 嵌入式 工控模块 T2387（ LPC2387 集成在工控模块中） 、 M_BUS 总线 、 Profibus 总线、 CAN 总线 、中 继器技术、 以太网 技术 ；以 ARM 微处理器 LPC2387 为核心， M_BUS 为数据采集总线，将采集到的数据，经过 核心芯片 处理后，可通过 Profibus 总线、以太网口、 CAN 总线传输到 相应 的总线上，实现多种总线上数据的传输。 另外，由于该系统设计有中继接口，所以该系统还可以作为中继器，实现数据在 M_BUS 主站与从站之间的远距离通 信。 国内外研究 现状及发展 现状 随着微型计算机技术、智能控制技术和嵌入式技术的不断进步，数据集中器也得到了长足的发展。 工 业化生产的过程中，需要将工业数据通过传感器或者其他采集装置采集， 然后通过数据集中器上传至相应的数据传输通道，便于实现数据处理等，实现了数据从源端到目的端的数据交换。 可以说，数据传输是工业生产不可或缺的一个部分，所以数据集中器就显得尤为重要。 数据集中系统产生于上个世纪 50 年代，由美国率先运用在军事上，将采集到的侦察数据进行集中后在传输到监控室，这一数据传输技术运用在军事领域，为军事情报部门提供了准确实时的作战数据。 这标志着二次世界大战之后，美国已经将信息传输技术率先运用在军事领域，并且将在日后取得了不断的突破。 20 世纪 70 年代，随着微计算机技术的发展，微计算机技术与数 据传输相融合，将用传统方法不能实现的数据传输采用新的技术手段，成功的实现了数据传输，使得数据传输技术上了一个新的台阶。 20 世纪 90 年代到今天，由于大规模集成电路技术的发展， 数据集中器 的成本 得到 降低， 节省了印刷板的空间 ， 数据集中器已经可以由原来的体积大、智能化程度低逐渐转变为体积小，智能化程度高。 特别是随着嵌入式技术的出现，可以将一块体积很小，功能很强大的芯片应用于各种智能化的系统，这一技术应用在数据传输领域，使得原先数据集中系统的功能增加， 扩大 了数据集中器的运用场合。 我国 目前及今后的一段时间内， 数据集中 器将得到飞速的发展，原先的数据集中器没有 MCU，仅仅由收发电路和传输接口组成，由于 高速 ARM、 DSP、 FPGA和大容量的存储芯片的出现，将使得数据集中器不仅仅具有数据处理能力，还可以将数据进行存储，进而进一步处理 、 而且 强大 的上位机 开发 软件也慢慢和数据集中系统结合起来， 如 JAVA 等， 使得数据集中和监控有机结合，更加方便现场多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中继器 的设计与实现 6 工作人员对数据的分析和掌握。 数据集中系统近年来也逐渐 向高精度 、 高速化、网络化、模块化 、通用化的 方向发展。 而且随着工艺等方面的改进， 成本和价格将会下降，使得数据集中系统运用更加普及到 普通工业 领域。 另一方面，数据 集中 系统采用 SoC 、 ARM、 DSP 等 嵌入式微处理器 、 RS485 双绞线 、 CAN 总线和 Profibus 总线 等，支持多种 通信 接口， 可广泛运用于 工业现场数据 传输 和控制 等 领域。 同时，伴随着 局域网技术的 飞速 发展，一个工厂管理层局域网 和 车间层局域网 的 底层设备网络 能够 连接 到 一起， 这样可以通过这些网络将多台数采设备有效的 联 接 在一起， 实现在线对生产设备运行状态数据的实时采集和监控。 相关通 信 接口的 简介 M_BUS 总线简介 M_BUS 总线，全称 Meterbus,是一种专门用于各 类仪表或装置的远程读数或读取相关信息的网络系统结构。 采用远程读数的欧洲 抄表 总线标准，广泛运用于水、电、气等部门的远程抄表系统，这种总线对楼宇自动化事业及相关的应用有着极端的重要 作用。 现阶段我国建设部门推广的水 、 电 、 气 三 表合一，采用的就是这种总线标准。 M_BUS 总线有着其显著的特点： 两根双绞线或电缆实现无极性远程数据传输。 主机可远程供电给从机。 结构拓扑简单。 总线长度可以达到 1km。 主从式半双工数据传输。 将 M_BUS 仪表总线 用于各类消费性相关装置，可将相关数据或信息编码收集并传 递至 M_BUS 主站，然后再通过各 类方式传送至上位机进行相应的处理，这样可 以 实现远程数据 的实时 采集、巡检和监控等功能 [4 ,5,6]。 M_BUS 总线构成的抄表系统 应用于居民小区，则可实现远程 计量、 抄表、报警、智能 化 的 控制和管理等， M_BUS 总线 的运用 对于 构建智能化 住宅小区和公共事业管理部门的现代化 建设 具有重要的意义。 M_BUS 通 信 是由主机发起通信，从机应答，从机之间没有信号传输，从机之间通过地址编码区分。 M_BUS 总线主机对从机 36V 的电压供电，并通过总线远程传输数据给从机，主机到从机的信号传输采用电压调节方 式，即 36V 代表逻辑1； 24V 代表逻辑 0。 主机通过在 M_BUS 总线上不断的改变电压 值 将信号传输到M_BUS 从机。 工程硕士学位论文 7 V m a r k = 3 6 VV s p a c e = 2 4 VS p a c e = 0 M a r k = 1tM a s t e r t o S l a v e 图 主机到从机传输的数据码流 M_BUS 从机到主机之间的信息传输采用的是电流调制。 一般在设计 M_BUS从机的时，可选用等过 Texas Instruments 公司生产的 TSS721 芯片作为从机的收发芯片。 TSS721 是根据 M_BUS 通信标准（ EN14343）制作的终端收发芯片，TSS721 由 M_BUS 总线供电和数据传输，具有抗极 性 颠倒 能力，它与从机的微处理器之间可以有多种连接方式，对从机微处理器的供电方式多种多样，有总线供电方式、电池供电方式和后备电池供电方式。 从机到主机的数据交换采用的是电流调制，从机中 TSS721 向主机发送的是一系列的电流脉冲。 在稳态时，从机和主机无数据交换式，每个从机消耗掉电流为 ，该电流值表示逻辑 1；当从机向主机传输逻辑 0 时，由从机增加一个 11～ 20mA 的电流，总线上的电流消耗就增加了 11～ 20mA，这样主机很容易检测到逻辑 0 信号。 M_BUS 总线数据链路 S p a c e = 0 M a r k = 1tI m a r k = 1 . 5 m AI s p a c e = ( 1 1 2 0 m A )S l a v e t o m a s t e r 图 由从机向主机传输的（电流）数据码流 层规定： M_BUS 数据传输为 11 个字节，其中 1 位起始位， 8 位数据位， 1 位数据校验位和 1 位停止位。 图 为 M_BUS 总线的比特流传输格式。 M_BUS 的 数据链路层传输协议 基于 IEC 870 5， M_BUS 数据链路岑协议 采用 的是 异步串行 的传输方式 , 传输的 每个字节有 8 个位， 8 位之前加上一个 起始位和 之后加上一个校验位和一个 结束位 构成十个位 来 传输， 总线 在静止 状态 的时候 为 高电平，用 逻辑 1(MARK)表示 ，因此 每个字节 的 起始为必须 为 低电平，即 逻辑 0( SPACE) ，结束 位为高电平，即逻辑 1(MARK)表示该字节的信息的结束 [7,8]。 作为 M_BUS从设备到 M_ BUS 总线的接口电路， TSS721 大大降低了 从节点的 设备成 本。 TSS721 不仅可以按照 MBUS 总线规范 来 收发数据，还 具有从设备与 微处理器 之间 的电平转换 电路，用来 实现微处理器和从 节点 设备的通信。 另外， TSS721 还 具多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中继器 的设计与实现 8 有 总线电压故障指示和极性 接反的 保护等功能。 12 3 456 7 8效验位停止位起始位数 据 位 （ 1 — 8 ） 图 M_BUS 比特流 传输 格式 Profibus 总线简介 现 场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的开放式、数字化双向多点通信的底层控制网络 [9]。 Profibus（ Process Fieldbus）是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准 ，是一种具有头广泛应用范围的、开 放 的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格和可靠性要求高的各种通 信 任务 ， 基于分布式控制思想发展而来的、最初的设计构想是基于扩展的 MAP/MMS 标准 的思想，建立一个基于客户 /服务器结构的、面向对象的、使用能够与工厂上下各层的工业通信系统。 在德国，有 90%的工厂自动化检测和控制设备上都 配有 Profibus 的标准接口。 凭借这 Profibus 标准中涵盖 了各种需求的各个自己规约的优势，如 DP、 PA、Profi 等，其技术已经发展到了全面成熟的阶段， Profibus 产品 覆盖了 各行各业。 Profibus 总线自 1997 年进入中国后，市场发展非常迅速。 据 CPO 对北京周边300 多家企业的调查结果显示， Profibus 的市场占有率为 40%～ 50%，而在全国市场至少有 30%～ 40%以上的占有率。 Profibus 是唯一全集成 H1 和 H2 的现场总线解决方案，是一种不依赖制造商的开放式总线标准。 目前国际上通用 的现场总线标准之以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂家的支持和不断发展的应用行规已成为最重要的现场总线技术。 Profibus 总线的特点是不同制造商生产的设备不用对接口进行特别的调整就可以直接通 信 ，且特别适用于高速且对时间要求比较高的复杂通 信 场合。 Profibus 按照应用范围可以划分为 [10,11,12]： Profibus_FMS、 Profibus_DP 和Profibus_PA。 四 个版本虽然应用场合不同，但是版本兼容。 ProfibusFMS 主要解决车间级通行任务，完成中等速度的循环和非循 环通 信 任务，广泛用于电气传动、传感器、纺织工业和楼宇自动化，一般构成实时多主网络系统。 Profibus_DP 是一种优化的高速通 信 连接，用于自动可控制系统和设备及分散 I/O 只见到通信设计，还可用于分布式控制系统的高速数据传输。 Profibus_PA 数据传输采用扩展的Profibus_DP 协议，另外还是用了描述现场设备行为的 PA 规范，并可以使使现场设备通过总线供电，采用分段耦合器， Profibus_PA 设备可以很方便的集成到Profibus _DP 网络上。 一般 Profibus_FMS 和 Profibus_DP 一。