基于rs485的远程采集与控制系统的设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于rs485的远程采集与控制系统的设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

工作内容 本论文的是对基于 RS485 通信的数据采集与控制器设计的研究，因此要用一个章节介绍 RS485 同信协议。 数据采集与控制的核心部件单片机是软硬件配合工作的，在系统硬件电路设计好以后还要分别设计配合主从机使用的软件。 其中硬件 电路的说明应分模块功能不同详细说明，对于其中用到的芯片，也要加以介绍。 软件设计部分则根据硬件模块用 C 语言编写进行面向数据采集与控制过程的配套程序。 程序设计为硬件服务，说明时画出流程图，以增强程序可读性。 工作安排流程图如下： 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 59 页 图 工作安排流程图 系统分析 （ 1）研究 RS485 总线技术的运用，即如何进行通信协议的设计； （ 2） 采集 3 路节点信号； （ 3） 反馈 2 路模拟控制量 （最大输出电压能达到 10V）； （ 4） 2 路继电器远程控制。 设计方案论证 论文设计的是一个通用、开放的系统方案，设计充分考虑实际应用和对现有设备的兼容性，设计的的采集模块可以完成温度、湿度、压力、流量、位移、电 开始 阅读资料，可行性分析 系统整体设计 硬件设 计 硬件各部分分别设计 软件整体设计 软件各部分分别设计 化函数 软硬件调试 结束 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 59 页 压、电流等模拟量的采集。 系统接口简单可靠，用途多样，具有一定灵活性。 在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下，远程数据采集方案也层出不穷。 各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。 对于以上方案，应该说是各有优势，并不能对比否决某种技术方案，论文方案的选择也仅仅是特定条件下的技术应用，以下对上述几种方案进行分析。 1 主机部分方案论证 根据系统的要求，主机需要完成的功能是读取从机采集回来信息，并且对从机的外设进行控制，设计了以下三个方案。 方案（一）： 以 ARM 处理器为控制核心，优点是系统外设丰富，可以节省大量的外围设备及布线面积。 缺点是只能采用贴片的封装，但是由于工艺的原因，需要花费大量的时间在硬件电路的制作上。 方案（二）： 以 PC 机为控制核心，由 上位机来统一控制信息的采集，优点是可以实现丰富的控制功能。 缺点是 PC 体积都较大，且成本很高。 方案（三）： 以 52 系列单片机为控制核心，优点是系统结构简单，利于各部分功能，且成本较低、体积较小，方便安装等。 缺点是功能较少，如需要增加其它功能需要加入相应的硬件，但根据本系统的要求，以 52 单片机为核心，再加上 DS18B20 等信息转换模块就完成系统要求的功能 综合以上三个主机方案，最终选择以 52 单片机为控制核心，来完成系统对信息的采集。 2 通讯总线接口方案论证 系统的要求是一台主机，多台从机， 这就需要将主机和所有的从机全部都要连到一根总线，以满足主机读取从机的信息要求，至于通信方式是全双工还是半双工没关系，只要主机能读取从机采集回来的信息即可，根据以上要求，设计了以下两个方案。 方案（一）：采用 RS232 标准，优点实现简单，模块设计相当成熟，且成本也较低。 非常适合点对点的通讯。 缺点是：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接；传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。 现在由于采用新的 UART 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 59 页 芯片 16C550 等，波特率达到 ；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。 方案（二）：采用 RS485 标准，它采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的 TTL 电平信号转换成差分信号 A、 B 两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成 TTL 电平信号。 由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至 200mV 电压，最高的通讯高达。 故传输信号在千米之外都是可以恢复，而且 RS485 允许最大的从机数量达到 128 台，具强大的扩展能力。 综合以上两个方案，本系统最终选择 RS485 为系统的通信总线，这符合本系统的点对多点的非平衡通讯模式和远距离传输模式。 总体设计 本系统选择 RS485 为系统的通信总线，以 52 单片机为控制核心，设计的目的是实现基于 RS485 总线上的数据通信与远程控制。 整个系统分为两个部分：主机部分与从机部分。 根据系统的要求，主机部分需要完成的功能是读取并 显示从机采集回来的实时数据信息，并且对从机的外设进行控制。 从机部分需要完成的功能是负责采集相关信息传回给主机，并等待主机的控制命令。 处于设计与使用的方便考虑 ,主机硬件电路跟从机硬件电路采用相同的电路 ,只是在软件设计上加以区分。 这样，在不通过 RS485 总线的情况下系统也能进行 2 路继电器开关控制、 反馈 2 路本地模拟控制量和采集 3 路本地节点信号的工作，只是无法远程通信。 主从机系统框图如下： 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 59 页 图 远程采集与控制器的系统框图 主机单片机发送信号通过 RS485 总线传给从机 ,从机判断主机发过来信息再通过继电 器控制电路控制 AD 电路和 DA 电路工作，最后又通过 RS485 总线传回信息给主机。 如此循环，达到主机对从机的控制功能。 本文章节安排 根据研究目标 ,将本文分为五章，内容作如下安排 : 第一章：介绍远程数据采集与控制技术研究的额背景与意义， 国内外数据采集研究现状，本文主要工作内容。 然后根据本文任务要求对系统方案进行论证。 第二章：介绍 RS485 通信协议，主要分 3 个方面进行介绍： RS485 标准、RS485 通讯协议、 RS485 应用要点。 第三章：系统的硬件设计，其中包括： 单片机应用电路、 AD 采 集电路、 DA电路、 RS485 接口电路、继电器控制电路的设计。 第四章：系统的软件设计，其中包括：通信协议的设计、整体程序流程、系统初始化、 RS485 总线程序设计、继电器控制程序设计、 DA 输出控制程序设计、AD 采集程序设计。 第五章：对全文进行总结，分析文章的创新之处与不足之处，最后提出继续完善本设计的研究方向。 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 8 页 共 59 页 2 RS485 协议规范 通常的微处理器都集成有 1 路或多路硬件 UART 通道，可以非常方便地实现串行通讯。 在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行 通讯方式作为数据交换的手段。 但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用 RS232 通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外， RS232 通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15 米。 为了解决上述问题， RS485/422 通讯方式就应运而生了。 本章将详细介绍 485 标准、通讯规约、应用要点。 RS232/422/485 标准 RS23 RS422 与 RS485 最初都是由电子工业协会（ EIA）制订并发布的。 RS232在 1962 年发布，命名为 EIA232E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。 RS422是由 RS232 发展而来，它是为弥补 RS232 之不足而提出的。 为改进 RS232 通信距离短、速率低的缺点， RS422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mbps，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kbps 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。 RS422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA422A 标准。 为扩展应用范围， EIA 又于 1983 年在 RS422 基础上制定了 RS485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA485A 标准。 由于EIA 提出的建议标准都是以 ―RS‖作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。 RS23 RS422 与 RS485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 但由于 PC 上的串行数据通讯是通过 UART 芯片 (较 老版本的 PC 采用 I8250 芯片或 Z8530 芯片 )来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（ 8N1 格式）： 1 位逻辑 0 的起始位， 6/7/8 位数据位， 1 位可选择的奇 (ODD)/偶 (EVEN)校验位， 1/2 位逻辑 1 的停止位。 基于 PC 的 RS23 RS422 与 RS485南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 59 页 标准均采用同样的通讯协议。 表格 列出了 RS23 RS42 RS485 通讯方式的区别。 表 RS23 RS42 RS485 的区别 标准 RS232 RS 422 RS 485 工作方式 单端 差分 差分 节点数 1收、 1发 1发、 10收 1发、 32收 最大传输电缆长度 50 英尺 4000 英尺 4000 英尺 最大传输速率 20Kbps 10Mbps 10Mbps 最大驱动输出电压 +/25V ～ +6V 7V～ +12V 发送器输出信号电平 (负载最小值 ) 负载 +/5V～ +/15V 177。 177。 发送器输出信号电平 (空载最大值 ) 空载 +/25V 177。 6V 177。 6V 发送器负载阻抗 (Ω) 3K～ 7K 100 54 摆率 (最大值 ) 30V/μs N/A N/A 接收器输入电压范围 177。 15V 10V～ +10V 7V～ +12V 接收器输入门限 177。 3V 177。 200mV 177。 200mV 接收器输入电阻 (Ω) 3K～ 7K 4K(最小 ) ≥12K 发送器共模电压 3V～ +3V 1V～ +3V 接收器共模电压 7V～ +7V 7V～ +12V RS232 标准 RS232 被定义为一种在低速率、近距离串行通讯的单端标准。 RS232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。 RS232 的电气标准 电平为逻辑 ―0‖时： +3V～ +15V； 电平为逻辑 ―1‖时： 3V～ 15V； 未定义区：－ 3V～＋ 3V。 在此区域内的信号处理将由通讯接口的 RS232 收发器决定。 RS422/485 标准 RS422/485 标准的全称为 TIA/EIA422B 和 TIA/EIA485 串行通讯标准。 RS422/485标准与 RS232 标准不一样，数据信号采用差分传输方式（ Differential 南华大学船山学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 59 页 Driver Mode），也称作平衡传输。 由于 RS422/485 标准在电气特性上非常相近，在传输方式上有所区别；为便 于理解，下面将主要介绍应用比较普遍的 RS485 标准，并简单介绍 RS422 标准与 RS485 标准的区别。 电子工业协会（ EIA）于 1983 年制订并发布 RS485 标准，并经通讯工业协会（ TIA）修订后命名为 TIA/EIA485A，习惯地称之为 RS485 标准。 RS485 标准是为弥补 RS232 通信距离短、速率低等缺点而产生的。 RS485 标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。 RS485 标准与 RS232 不一样，数据信号采用差分传 输方式（ Differential Driver Mode），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B，如图。 图 RS485 发送器的示意图 图 RS485 接收器的示意图 通常情况下，发送发送器 A、 B 之间的正电平在 +2～ +6V，是一个逻辑状态；负电平在 2～ 6V，是另一个逻辑状态。 另有一个信号地 C。 在 RS485 器件中，一般还有一个 ―使能 ‖控制信号。 ―使能 ‖信号用于控制发送发送器与传输线的 切断与连接，当 ―使能 ‖端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作 ―第三态 ‖，它是有别于逻辑 ―1‖与 ―0‖的第三种状态。 对于接收发送器，也作出与发送发送器相。