【正文】 離型 RS485 收發(fā)器， HT7133 穩(wěn)壓芯片、集成 RS485 轉(zhuǎn) RS232 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的系統(tǒng)， C8051F350 單片機(jī)作為 下位機(jī) ， 應(yīng)用組態(tài)王 軟件編制的上位機(jī)監(jiān)控程序 ， 應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部集成 A/D 轉(zhuǎn)換器 完成對 實(shí)時(shí)電壓模擬 量的 采集和處理 ，而組態(tài)王用于對 下位機(jī)參數(shù)讀寫 、 顯示 、 報(bào)警等，從而實(shí)現(xiàn)了一套完整可靠的 電壓采集 監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)通過 Modbus 通訊協(xié)議 來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。該設(shè)計(jì) 電壓采集范圍在 0～ ， 誤差范圍可控制在 177。 。 該系統(tǒng)具有使用方便、測量精確、穩(wěn)定性高、可性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以在很多領(lǐng)域應(yīng)用，如溫度、液位、壓力等物理量的采集和監(jiān)控。 關(guān)鍵字 ： C8051F350， ADM2582， 組態(tài)王 ， Modbus 協(xié)議吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書 1 第 1 章 概述 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信與控制技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)的深刻變革。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。而處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動(dòng)化系統(tǒng)，由于設(shè)備之間采用傳統(tǒng)的一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進(jìn) 行測量控制，或采用自成體系的封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間信息變換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)設(shè)備的控制逐步從單一獨(dú)立系統(tǒng)向集散控制監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展，因此，我們 設(shè)計(jì)了基于 Modbus 協(xié)議 實(shí)現(xiàn)下位機(jī)對電壓信號的采集和組態(tài)王通信 的智能工業(yè)控制器監(jiān)控系統(tǒng)， 它的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)的發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、作為傳輸介質(zhì)的總線、通信協(xié)議組成。本設(shè)計(jì)雖然是簡單的用單片機(jī)內(nèi)部集成 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓采樣，但是利用此原理，并將設(shè)計(jì)稍加改動(dòng)，就會(huì)演變成很多工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng) ，例如對溫度、壓力、液位等工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)的精確控制，并且可以利用上位組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的讀寫、顯示、越限報(bào)警等 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，將對該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響，而本設(shè)計(jì)所運(yùn)用的 Modbus 協(xié)議更是現(xiàn)場總線中應(yīng)用較為廣泛的一種總線技術(shù)。 基于 Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2 第 2 章 方案選取 通信方式選擇 用 通信 方式來看，有兩種總線方式即： RS232 總線和 RS485 總線。 方案一：采用采用 RS232 串行總線方式，它是外部串行總線，通常我們用 9 針線接口進(jìn)行通信，實(shí)際上只用到 TXD、 RXD、 GND 三根線，單端傳輸方式，最大傳輸距離是 15 米，最大傳輸速度 20Kbit/s，具有 串行傳輸只需要一根傳輸線即可，在成本上可以有一定的節(jié)約 。 但是 典型的 RS232 信號在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～ +15V，負(fù)電平在 5～ 15V 之間。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上未 TTL,從開始傳輸數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。接收器典型的正工作電平再 +3～ +12V，負(fù)電平在 3～ 12V。由于發(fā)送電平和接收電平的差僅為 2V到 3V，所以共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為 15M，最高速率為 20Kbit/s。由于 RS232 用于一對收發(fā)設(shè)備通訊，所以它只適合本地設(shè)備之間的通訊。 方案二：采用 RS485 串行總線方式，它也是外部串行總線， RS485 可以采用二線與四線方式，二線制可以真正實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通訊。而在采用四線連接時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通信，也就是只有一個(gè)主設(shè)備，其他全為從設(shè)備。它的特點(diǎn)是輸入為差分輸入方式，最大傳輸距離為 1200 米，最大傳輸 速率為 10Mbit/s，其優(yōu)點(diǎn)是在 RS232 基礎(chǔ)上 其抗干擾能力極強(qiáng)，同一根電纜線的 數(shù)據(jù)傳輸可以不受其他線路的干擾，還具有總線收發(fā)器靈敏度很高，能檢測很低的電壓（ 200mV），在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)也能使信號得以恢復(fù)。 RS485 的接口信號電平較 RS232 低，不易是接口電路的芯片受到損壞。由于 RS485 的種種優(yōu)點(diǎn)，使它成為眾多工程師的首選串行接口。 所以基于 RS485 的 優(yōu) 點(diǎn)，本設(shè)計(jì)也采用方案二作為通信方式。 ADM2852 的選擇 RS485 電路總體上可以分為隔離型與非隔離型。隔離型比非隔離型在抗干擾、 系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都比較好，但有一些要求比較低的場合也可以用非隔離型。 為防止電磁干擾或者電源尖峰脈沖干擾，所以盡管本設(shè)計(jì)電路較為簡單，傳輸距離較近，但為了 安全 ， 選用 隔離型電路。 ADM2582 是高集成度數(shù)據(jù)收發(fā)器，支持 177。15 kVESD 保護(hù)及信號和電源隔離，該器件適合用于多點(diǎn)傳輸線上的高速通信，內(nèi)部集成隔離式 DCDC 電源，無需外加 DCDC 模塊。采用 5V 或 供電，實(shí)現(xiàn)完全集成的信號與電源隔離 RS485 解決方案。 ADM2582 驅(qū)動(dòng)器具有高電平有效使能特性，也具有低電平有效接收器使能特性，禁止時(shí)可使接 收器輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。 吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書 3 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)方案選定好之后，需要對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程有個(gè)具體的思考分析，并拿出一個(gè)具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖，將整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程模塊化，便于硬件電路的設(shè)計(jì)和分工焊 接 ，便于硬件的檢錯(cuò)和硬件的調(diào)試。圖 31，便是選定的方案一的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。 采集電路A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)RS485PC機(jī)組態(tài)界面3 . 3 V 直 流 電 源 圖 31 工作 流程圖 RS484 通信電路圖 RS485 數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為 A，另一線定義為 B。 RS485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。 RS485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用 RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至 200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。 RS485 用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用 RS485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最 多并聯(lián) 32 臺驅(qū)動(dòng)器和 32臺接收器。 RS485驅(qū)動(dòng)器可以用在 RS422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。 RS485的最大傳輸距離約為 1219米，最大傳輸速率為 10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100Kbps 速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mbps。 在短距離的信息傳輸過程中，可以忽略大部分的干擾，即可以不使用雙絞線。在沒有強(qiáng)干擾的影響時(shí)，信號傳輸?shù)慕K端也可以不加抗共模干擾的電阻。有的情況， 485總線芯片的供電電源也會(huì)引起干 擾，在這種情況下，需要對供電電源進(jìn)行隔離，圖 33 所示的電路就是消除電源干擾的一種電路設(shè)計(jì)方案。 基于 Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 4 圖 32 RS485 通信原理圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 如下圖 33 所示是單片機(jī)最小系統(tǒng) 供電電源 本次設(shè)計(jì)采用 +5V 電源供電，由于 C8051F350 單片機(jī)的工作電壓范圍為 ，所以選擇 作為電源穩(wěn)壓器，輸出穩(wěn)定的 電壓為單片機(jī)和 ADM2582E 使用。 如圖 34所示。 GND11VCC2GND13RXD4RE5DE6TXD7VCC8GND19GND110GND211VISOOUT12Y13GND214Z15GND216B17A18VISOIN19GND220U1ADM2582E10uFC5103C710uFC1103C3VDDTXRXD+/AD/B100R3100R4R39。 D圖 33 單片機(jī)最小系統(tǒng) AGND9AV+10123411RST/C2CK121314151617181920VDD21DGND222324252627282930VREF+31VREF32C8051F350/25678U2C8051F350/2VDD1KR1Res21KR2Res210uFC10Cap1uFC9CapS1RST 39。RST 39。VDDGNDVDDGND104C11100uFC12VREFVREF+VREF+VREFR39。 DRXTXADINGND吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院專業(yè)綜合設(shè)計(jì)說明書 5 圖 34 系統(tǒng)電源 IN3OUT21GNDU310uFC18104C15VDDGND1VSRC基于 Modbus 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 6 第 4 章 核心元器件的介紹 C8051F350 微控制器 C8051F350器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型 MCU， 具有片內(nèi)上電復(fù)位 、 VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F41x器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng) 。 FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新 8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。 片內(nèi) Silicon Labs 二線（ C2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn) 品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 C2 進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。兩個(gè) C2 接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。 每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 的電壓工作。端口 I/O 和 /RST 引腳都容許 5V 的輸入信號電壓。 C8051F350/1/2/3 采用 28 腳 QFN （也稱為 MLP或 MLF） 封裝或 32 腳 LQFP 封裝。如圖 41所示 圖 41 C8051F350 頂視圖