【正文】 lection, for example, temperature, humidity, pressure, flow, displacement, analog quantities voltage, and current .The system interface is simple and reliable, and its uses is various and flexible.Keywords: RS485。 remote munications。 data acquisition and controlii目 錄1 緒 論 1 研究的背景與意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 本文主要工作內(nèi)容 3 系統(tǒng)分析 4 4 設(shè)計方案論證 4 總體設(shè)計 6 本文章節(jié)安排 7 RS232/422/485 標(biāo)準(zhǔn) 8 RS232 標(biāo)準(zhǔn) 9 RS422/485 標(biāo)準(zhǔn) 9 RS485 通訊協(xié)議 12 ModBus 協(xié)議(RTU 模式) 12 多功能電能表通訊規(guī)約(DL/T6451997) 15 RS485 應(yīng)用要點(diǎn) 16 本章小結(jié) 163 基于RS485通信遠(yuǎn)程采集與控制器的硬件設(shè)計 17 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計 17 單片機(jī)應(yīng)用電路 18 電源模塊電路 20 主從機(jī)RS485接口電路設(shè)計 21 繼電器控制電路 24 2路DA轉(zhuǎn)換電路 25 TLC5615簡介 25 TLC5615功能框圖 25 TLC5615引腳功能 26 TLC5615推薦工作條件 26 TLC5615的時序 27 TLC5615的兩種工作方式 27 DA電路 28 3路AD轉(zhuǎn)換電路 28 本章小結(jié) 294 基于RS485通信遠(yuǎn)程采集與控制器的軟件設(shè)計 30 通信協(xié)議的設(shè)計 30 主程序流程 32 主機(jī)主程序流程 32 從機(jī)主程序流程 36 41 主機(jī)系統(tǒng)初始化 41 從機(jī)系統(tǒng)初始化 43 RS485總線的程序設(shè)計 45 繼電器控制程序的設(shè)計 46 2路DA輸出控制程序設(shè)計 46 3路AD采集程序設(shè)計 47 本章小結(jié) 505 總結(jié)與展望 51 總結(jié) 51 展望 51謝 辭 53參考文獻(xiàn) 54附件一 電路原理圖 56附件二 PCB圖 59iv1 緒 論 研究的背景與意義數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等問題。其任務(wù)是對生產(chǎn)現(xiàn)場各種參數(shù)進(jìn)行采集，然后送入計算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，得到所需的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行顯示并判斷作出決定，以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視控制。在一些環(huán)境條件惡劣、異常危險的環(huán)境中，如深井、對人體危害極大強(qiáng)輻射空間、人體活動不便的空間，要做到現(xiàn)場數(shù)據(jù)綜合分析并做出現(xiàn)場決策，幾乎是不可能做到的。在這些環(huán)境中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)有著其巨大優(yōu)勢。還有一些管理分散，數(shù)據(jù)采集量大的工作條件下，人到現(xiàn)場去采集數(shù)據(jù)就變得繁重而繁瑣了，這時，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集就是一種非常簡單而且有效的方法[1]。由此可見，對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制方面的研究是非常有必要的。近年來，大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)不斷地推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器儀表、數(shù)字測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面升華到一個全新的階段[2]。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)越來越趨向數(shù)字化、智能化、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和民用生活，特別是智能化小區(qū)水、電、氣、暖的抄表監(jiān)控以及工業(yè)測量儀表的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控等方面的應(yīng)用非常普遍。它結(jié)合了計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動化管理等現(xiàn)代化技術(shù)，并不斷融合更多更新的通信技術(shù)[3，4]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展時間不長，其發(fā)展也是伴隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步才逐漸實(shí)用化，不過這一技術(shù)的應(yīng)用很快發(fā)展成為一個潛力巨大、市場廣闊的產(chǎn)業(yè)[5]。目前國內(nèi)外采用的數(shù)據(jù)采集方案和運(yùn)行方式多種多樣，其所達(dá)到的目的和要求也不同。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集并沒有規(guī)定一個固有的模式，包括其內(nèi)容和形式都不斷發(fā)展和變化。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用普遍,研究成果很多,數(shù)據(jù)采集形式和技術(shù)各異，所達(dá)到的目標(biāo)和要求也不同[6]。由于形式復(fù)雜和多樣，問題和實(shí)用性也比較多，許多技術(shù)目的單一，并不成系統(tǒng)。 論文的目標(biāo)是設(shè)計一個當(dāng)前在國內(nèi)的實(shí)際狀況下通用、開放的系統(tǒng)，因此采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計方案。本文設(shè)計的目的是實(shí)現(xiàn)基于RS485總線上的數(shù)據(jù)通信與遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)，利用單片機(jī)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制?？刹杉}沖或電壓、電流、溫度等信號,即采集現(xiàn)場各種儀表數(shù)據(jù)信號，送給單片機(jī)的處理。單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過繼電器開關(guān)再對外部裝置進(jìn)行控制。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSysteln)簡稱DAS系統(tǒng),是對工業(yè)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、儲存及各種控制的裝置。在很多行業(yè)都有較廣應(yīng)用。過程對象需檢測的參數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成可測數(shù)字信號，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器變換成單片機(jī)、計算機(jī)能處理的信號，再送入系統(tǒng)的I/O模塊，I/O模塊也可設(shè)計成直接接收現(xiàn)場來的電壓、電流、電阻或脈沖信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號由中央處理器處理。DAS系統(tǒng)在硬件配置上的獨(dú)特要求,在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各種因素以滿足用戶的需求[7，8]。軟件功能則更豐富，根據(jù)用戶需要,可編制控制和服務(wù)程序,如操作指導(dǎo)、統(tǒng)計分析等、實(shí)現(xiàn)實(shí)時或即時打印或通信[9]。20世紀(jì)90年代至今，由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化。工業(yè)計算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，使系統(tǒng)的成本降低，體積減小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[10]。目前數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)[11，12]?，F(xiàn)階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和即插即用方向發(fā)展。串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展。可靠性不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信,由于采用RS48雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[13]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用普遍,研究成果很多,數(shù)據(jù)采集形式和技術(shù)各異，所達(dá)到的目標(biāo)和要求也不同。由于形式復(fù)雜和多樣，問題和實(shí)用性也比較多，且許多技術(shù)目的單一，并不成系統(tǒng)。國外起步較早，某些地區(qū)在此領(lǐng)域己制訂了相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)也較先進(jìn)，并不斷地開發(fā)新技術(shù)。國外應(yīng)用比較先進(jìn)，普遍的主要數(shù)據(jù)采集技術(shù)有電力線載波系統(tǒng)、手持或車載式無線遙讀遙控方式、電話線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GSM(GPRS)無線數(shù)據(jù)采集等[14，15]，但國外此行業(yè)的許多技術(shù)和運(yùn)行方式在國內(nèi)并不適用。一些采用新技術(shù)的方案也僅僅限于理論探討，實(shí)際的市場實(shí)用性并不大。國內(nèi)自九十年代初開始研制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由于中國的實(shí)際國情，長期一直沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品市場廣闊,發(fā)展?jié)摿艽?到現(xiàn)在各種產(chǎn)品種類繁多,形式復(fù)雜,缺少一個統(tǒng)一的規(guī)范。在目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)和現(xiàn)狀的情況下，參照了歐洲類似的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ModBus)，制訂了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的一些要求和規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了計量儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹瓌t、接口形式及物理性能、數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)標(biāo)識及數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)表達(dá)格式的要求，對技術(shù)的采用并沒有提出太多限制[16]。就目前國內(nèi)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)來說，大多是采用國外此行業(yè)類似技術(shù)和芯片，或采用一些成熟的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，并根據(jù)國內(nèi)需求定制和發(fā)展，許多新技術(shù)不斷出現(xiàn)和嘗試，可以說這個行業(yè)正處于一個不斷發(fā)展并完善的階段。 本文主要工作內(nèi)容 本論文的是對基于RS485通信的數(shù)據(jù)采集與控制器設(shè)計的研究，因此要用一個章節(jié)介紹RS485同信協(xié)議。數(shù)據(jù)采集與控制的核心部件單片機(jī)是軟硬件配合工作的，在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計好以后還要分別設(shè)計配合主從機(jī)使用的軟件。其中硬件電路的說明應(yīng)分模塊功能不同詳細(xì)說明，對于其中用到的芯片，也要加以介紹。軟件設(shè)計部分則根據(jù)硬件模塊用C語言編寫進(jìn)行面向數(shù)據(jù)采集與控制過程的配套程序。程序設(shè)計為硬件服務(wù)，說明時畫出流程圖，以增強(qiáng)程序可讀性。 工作安排流程圖如下： 開始閱讀資料，可行性分析系統(tǒng)整體設(shè)計硬件設(shè)計硬件各部分分別設(shè)計軟件整體設(shè)計軟件各部分分別設(shè)計化函數(shù)軟硬件調(diào)試結(jié)束 工作安排流程圖 系統(tǒng)分析（1）研究RS485總線技術(shù)的運(yùn)用，即如何進(jìn)行通信協(xié)議的設(shè)計；（2）采集3路節(jié)點(diǎn)信號；（3）反饋2路模擬控制量（最大輸出電壓能達(dá)到10V）；（4）2路繼電器遠(yuǎn)程控制。 設(shè)計方案論證 論文設(shè)計的是一個通用、開放的系統(tǒng)方案，設(shè)計充分考慮實(shí)際應(yīng)用和對現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，設(shè)計的的采集模塊可以完成溫度、濕度、壓力、流量、位移、電壓、電流等模擬量的采集。系統(tǒng)接口簡單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。在計算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的迅速發(fā)展下，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方案也層出不窮。各種方案都有其特點(diǎn)，有其相適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境和存在的條件，不能一概而論，甚至在特殊情況下還需要將其結(jié)合在一起，揚(yáng)長避短可發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。對于以上方案，應(yīng)該說是各有優(yōu)勢，并不能對比否決某種技術(shù)方案，論文方案的選擇也僅僅是特定條件下的技術(shù)應(yīng)用，以下對上述幾種方案進(jìn)行分析。 1 主機(jī)部分方案論證 根據(jù)系統(tǒng)的要求，主機(jī)需要完成的功能是讀取從機(jī)采集回來信息，并且對從機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制，設(shè)計了以下三個方案。 方案（一）： 以ARM處理器為控制核心，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)外設(shè)豐富，可以節(jié)省大量的外圍設(shè)備及布線面積。缺點(diǎn)是只能采用貼片的封裝，但是由于工藝的原因，需要花費(fèi)大量的時間在硬件電路的制作上。 方案（二）： 以PC機(jī)為控制核心，由上位機(jī)來統(tǒng)一控制信息的采集，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)豐富的控制功能。缺點(diǎn)是PC體積都較大，且成本很高。 方案（三）： 以52系列單片機(jī)為控制核心，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，利于各部分功能，且成本較低、體積較小，方便安裝等。缺點(diǎn)是功能較少，如需要增加其它功能需要加入相應(yīng)的硬件，但根據(jù)本系統(tǒng)的要求，以52單片機(jī)為核心，再加上DS18B20等信息轉(zhuǎn)換模塊就完成系統(tǒng)要求的功能綜合以上三個主機(jī)方案，最終選擇以52單片機(jī)為控制核心，來完成系統(tǒng)對信息的采集。 2 通訊總線接口方案論證系統(tǒng)的要求是一臺主機(jī)，多臺從機(jī)，這就需要將主機(jī)和所有的從機(jī)全部都要連到一根總線，以滿足主機(jī)讀取從機(jī)的信息要求，至于通信方式是全雙工還是半雙工沒關(guān)系，只要主機(jī)能讀取從機(jī)采集回來的信息即可，根據(jù)以上要求，設(shè)計了以下兩個方案。 方案（一）：采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡單，模塊設(shè)計相當(dāng)成熟，且成本也較低。非常適合點(diǎn)對點(diǎn)的通訊。缺點(diǎn)是：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL 電路連接；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps?，F(xiàn)在由于采用新的UART 芯片16C550 等，；接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50 米，實(shí)際上也只能用在15米左右。 方案（二）：采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV電壓。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)，而且RS485允許最大的從機(jī)數(shù)量達(dá)到128臺，具強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。綜合以上兩個方案，本系統(tǒng)最終選擇RS485為系統(tǒng)的通信總線，這符合本系統(tǒng)的點(diǎn)對多點(diǎn)的非平衡通訊模式和遠(yuǎn)距離傳輸模式。 總體設(shè)計本系統(tǒng)選擇RS485為系統(tǒng)的通信總線，以52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計的目的是實(shí)現(xiàn)基于RS485總線上的數(shù)據(jù)通信與遠(yuǎn)程控制。整個系統(tǒng)分為兩個部分：主機(jī)部分與從機(jī)部分。根據(jù)系統(tǒng)的要求，主機(jī)部分需要完成的功能是讀取并顯示從機(jī)采集回來的實(shí)時數(shù)據(jù)信息，并且對從機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制。從機(jī)部分需要完成的功能是負(fù)責(zé)采集相關(guān)信息傳回給主機(jī)，并等待主機(jī)的控制命令。處于設(shè)計與使用的方便考慮,主機(jī)硬件電路跟從機(jī)硬件電路采用相同的電路,只是在軟件設(shè)計上加以區(qū)分。這樣，在不通過RS485總線的情況下系統(tǒng)也能進(jìn)行2路繼電器開關(guān)控制、反饋2路本地模擬控制量和采集3路本地節(jié)點(diǎn)信號的工作，只是無法遠(yuǎn)程通信。主從機(jī)系統(tǒng)框圖如下： 遠(yuǎn)程采集與控制器的系統(tǒng)框圖 主機(jī)單片機(jī)發(fā)送信號通過RS485總線傳給從機(jī),從機(jī)判斷主機(jī)發(fā)過來信息再通過繼電器控制電路控制AD電路和DA電路工作，最后又通過RS485總線傳回信息給主機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到主機(jī)對從機(jī)的控制功能。 本文章節(jié)安排根據(jù)研究目標(biāo),將本文分為五章，內(nèi)容作如下安排:第一章：介紹遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)研究的額背景與意義， 國內(nèi)外數(shù)據(jù)采集研究現(xiàn)狀，本文主要工作內(nèi)容。然后根據(jù)本文任務(wù)要求對系統(tǒng)方案進(jìn)行論證。 第二章：介紹RS485通信協(xié)議，主要分3個方面進(jìn)行介紹：RS485標(biāo)準(zhǔn)、RS485通訊協(xié)議、RS485應(yīng)用要點(diǎn)。 第三章：系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其中包括：單片機(jī)應(yīng)用電路、AD采集電路、DA電路、RS485接口電路、繼電器控制電路的設(shè)計。 第四章：系統(tǒng)的軟件設(shè)計，其中包括：通信協(xié)議的設(shè)計、整體程序流程、系統(tǒng)初始化、RS485總線程序設(shè)計、繼電器控制程序設(shè)計、DA輸出控制程序設(shè)計、AD采集程序設(shè)計。 第五章：對全文進(jìn)行總結(jié)，分析文章的創(chuàng)新之處與不足之處，最后提出繼續(xù)完善本設(shè)計的研究方向。2 RS485 協(xié)議規(guī)范 通常的微處理器都集成有 1 路或多路