【正文】 85 通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制的方法。 ⑥ 2020 年 6 月 9 日 —2020 年 6 月 12 日 畢業(yè)論文答辯。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 指導(dǎo)老師： 年 月 日 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） i 基于 RS485 通信的遠(yuǎn)程采集與控制器設(shè)計(jì) 摘 要 ： 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。 本文設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn) 3 路數(shù)據(jù)采集處理， 2 路數(shù)據(jù)反饋裝置， 2 路繼電器控制遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)接口簡單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。 remote munications。 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。 近年來，大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，計(jì)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]。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]。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)。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。 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(jì)時應(yīng)綜合考慮各種因素以滿足用戶的需求 [7， 8]。工業(yè)計(jì)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)。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。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)。 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(jì)的研究，因此要用一個章節(jié)介紹 RS485 同信協(xié)議。程序設(shè)計(jì)為硬件服務(wù)，說明時畫出流程圖，以增強(qiáng)程序可讀性。 在計(jì)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。 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。 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。非常適合點(diǎn)對點(diǎn)的通訊。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，最高 的通訊高達(dá) 。整個系統(tǒng)分為兩個部分：主機(jī)部分與從機(jī)部分。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。然后根據(jù)本文任務(wù)要求對系統(tǒng)方案進(jìn)行論證。 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(jì)的研究方向。為了解決上述問題， RS485/422 通訊方式就應(yīng)運(yùn)而生了。 RS422是由 RS232 發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ) RS232 之不足而提出的。由于EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以 ―RS‖作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以 RS 作前綴稱謂。 表格 列出了 RS23 RS42 RS485 通訊方式的區(qū)別。6V 177。200mV 177。在此區(qū)域內(nèi)的信號處理將由通訊接口的 RS232 收發(fā)器決定。 電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）于 1983 年制訂并發(fā)布 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)通訊工業(yè)協(xié)會（ TIA）修訂后命名為 TIA/EIA485A，習(xí)慣地稱之為 RS485 標(biāo)準(zhǔn)。 圖 RS485 發(fā)送器的示意圖 圖 RS485 接收器的示意圖 通常情況下，發(fā)送發(fā)送器 A、 B 之間的正電平在 +2～ +6V，是一個邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在 2～ 6V，是另一個邏輯狀態(tài)。 對于接收發(fā)送器，也作出與發(fā)送發(fā)送器相對的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將 AA與 BB 對應(yīng)相連。 定義邏輯 1（正邏輯電平）為 B＞ A 的狀態(tài)，邏輯 0為 A＞ B 的狀態(tài)， A、 B 之間的壓差不小于 200mV。 V 發(fā)送器負(fù)載（歐姆） 60Ω 最大發(fā)送器數(shù)量 32 單位負(fù)載 最大接收器數(shù)量 32 單位負(fù)載 RS485 標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為 10Mbps。一般來說， 15 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mbps。在矩距離、或低波特率波數(shù)據(jù)傳輸時可不需終端匹配電阻，即一般在 300 米以下、 19200bps 不需終端匹配電阻。 在過去的 20 年時間里，建議性標(biāo)準(zhǔn) RS485 作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域 ，作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。由于RS485 標(biāo)準(zhǔn)是基于 PC 的 UART 芯片上的處理方式，因此，其通訊協(xié)議也規(guī)定了串行數(shù)據(jù) 單元的格式（ 8N1 格式）： 1 位邏輯 0 的起始位， 6/7/8 位數(shù)據(jù)位，1 位可選擇的奇 (ODD)/偶 (EVEN)校驗(yàn)位， 1/2 位邏輯 1 的停止位。 下面將分 別對 ModBus 協(xié)議 (RTU 模式 ) 、多 功能電 能表通 訊規(guī)約(DL/T6451997)進(jìn)行簡單介紹。 查詢： 查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。錯誤檢測域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。在網(wǎng)絡(luò)波特率下多樣的字符時間，這是最容易實(shí)現(xiàn)的 (如圖 124 的 T1T2T3T4 所示 )。當(dāng)?shù)谝粋€域（地址域）接收到，每個設(shè)備都進(jìn)行譯碼以判斷是否發(fā)往自己的。如果在幀完成之前有超過 個字符時間的停頓，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。當(dāng) Modbus 協(xié)議用于更高水平的網(wǎng)絡(luò)，廣播可能不允許或以其它方式代替。 例如：從一個主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備的消息要求讀一組保持寄存器，將產(chǎn)生如下功能代碼： 0 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制 03H） 對正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)同樣的功能代碼。這包括了象不連續(xù)的寄存器地址，要處理項(xiàng)的數(shù)目，域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 起始位 0 8位數(shù)據(jù) D0～ D7 偶校驗(yàn)位 停止位 1 傳送方向從低到高位，一個起始位、一個停止位、一個偶校驗(yàn)位、 8 位數(shù)據(jù)位，總共 11位。 前導(dǎo)字節(jié)：在發(fā)送信息之前，發(fā)送 1 個或多個字節(jié) FEH，以喚醒接收方。終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。接下來的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都是基于 RS485 通信協(xié)議設(shè)計(jì)的。 在該系統(tǒng)中，單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)運(yùn)行的控制由單片機(jī)進(jìn)行處理。 AD 電路負(fù)責(zé) 3 路節(jié)點(diǎn)信號的采集工作， DA 電路負(fù)責(zé) 2 路模擬控制量的反饋工作。 2．工作電壓： ~（ 5V 單片機(jī)） /~（ 3V 單片機(jī)）。 6．通過 I/O 口（ 27/23 個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng)I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏。 10．內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶振 20M 以下時，可省外部復(fù)位電路）。 14． ADC， 10 位精度 ADC，共 8 路。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 共 59 頁 ： PDIP28， SOP28， PDIP20， SOP20， PLCC32,TSSOP20(超 小封狀 ，定貨 )本系統(tǒng)采用的是 POSP28 封裝單片機(jī)。 共 8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。如 7805 的輸出電壓是 5V，但實(shí)際電壓可能是 到 ，用戶需要精度要求比較高的話，可在出廠時將實(shí)際測出的工作電壓值記錄在單片機(jī)內(nèi)部的 EEPROM 里面，以供計(jì)算。電源模塊電路如圖 所。 圖 為 STC12C5410AD 單片機(jī)的最小系統(tǒng)： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 共 59 頁 圖 STC12C5410AD 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電源模塊電路 能否給單片機(jī)提供穩(wěn)定可靠的電源是影響單片機(jī)工作的一個重要因素，由于本設(shè)計(jì)對檢測的精度要求較高，因此需要設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定可靠的電源以使單片機(jī)正常穩(wěn)定的工作。需作為 A/D 使用的口需先將其設(shè)置為高阻輸入或開漏模式?？梢哉f STC12C5410AD 單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采 集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)（ SOC），可以很容易地構(gòu)成典型的測控系統(tǒng)。 16． SPI 同步通信口，主模式 /從模式。 12．共 2 個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器。 8． EPROM 功能。 4．用戶應(yīng)用程序空間 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字節(jié)。 圖 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖 單片機(jī) 應(yīng)用電路 電源穩(wěn) 壓電路 RS485 接口電路 2 組繼電器控制電路 2 組 DA反饋電路 3 組 AD 采集電路 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 共 59 頁 單片機(jī)應(yīng)用電路 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以 STC12C5410AD 單片機(jī)為核心部件 ,STC12C5410 系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機(jī)器周期（ 1T） 的兼容 8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速 /低功耗的新一代 8051 單片機(jī)，全新的流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。將編譯好的程序通過下載接口燒錄到單片機(jī)后，而單片機(jī)連接 外部各個器件，統(tǒng)一處理接收到的數(shù)據(jù)和傳送指令到各個器件以便執(zhí)行相關(guān)程序。 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)應(yīng)用電路、電源穩(wěn)壓電路、 AD 采集電路、 DA電路、 RS485 接口電路、繼電器控制電路 組成。 本章小結(jié) 本章圍繞 RS485 標(biāo)準(zhǔn)、通信規(guī)約、應(yīng)用要點(diǎn)幾個方面，詳細(xì)介紹 RS485協(xié)議規(guī)范。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 共 59 頁 RS485 應(yīng)用要點(diǎn) 1 合理選用芯片 合理地選擇一個高效、合適的 RS485 收發(fā)器型號，可以有效減少電路設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等后續(xù)階段的工作量。 命令碼：執(zhí)行操作的依據(jù)。如果主設(shè)備寫一組從設(shè)備的寄存器（功能代碼 10 十六進(jìn)制），數(shù)據(jù)域則指明了要寫的起始寄存器以及要寫的寄存器數(shù)量，數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)。 主設(shè)備應(yīng)用程序得到異議響應(yīng)后，典型的處理過程是重發(fā)消息，或者診斷發(fā)自從設(shè)備的消息并報告給操作員。對正常響應(yīng)，從設(shè)備僅響應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。這將導(dǎo)致一個錯誤，因?yàn)樵谧詈蟮?CRC 域的值不可能是正確的。一個新的消息可在此停頓后開始。可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的 0...9,A...F。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比 ASCII 方式傳送更多的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的資料：象寄存器值或狀態(tài)。例如功能代碼 03 是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。 關(guān) 于 詳 細(xì) 的 ModBus 協(xié) 議 ， 用 戶 可 以 從 ModBusIDA 協(xié)會 () 網(wǎng)站下載具體的內(nèi)容。但是，這些設(shè)備采用的用戶層協(xié)議 (術(shù)語參考自 OSI 的 7 層結(jié)構(gòu) )都不相同；這些設(shè)備之間并不可以直接連接通訊。但是基于在 RS485 總線上任一時刻只能存在一個主機(jī)的特點(diǎn)，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間 [17]。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)通常被用作為一種相對經(jīng)濟(jì)、具有相當(dāng)高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)、寬共模范圍的通信平臺。如果采用光電隔離方式，則通訊速率一般還會受到光電隔離器件響應(yīng)速度的限制。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，只有在 20kbps 速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。 6V 最小差動輸出 177。在接收發(fā)送器的接收平衡線上，電平范圍通常在 200mV至 6V 之間。在 RS485 器件中，一般還有一個 ―使能 ‖控制信號。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)