【正文】 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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(xiǎn)的環(huán)境中，如深井、對(duì)人體危害極大強(qiáng)輻射空間、人體活動(dòng)不便的空間，要做到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)綜合分析并做出現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。practicalwillschemeandRS485DAthedesign. Collection module of this design is not limited, and not just for a single use, it can plete many collection, 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。與此同時(shí)，將計(jì)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(duì)某些物理量的監(jiān)視控制。由此可見，對(duì)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。它結(jié)合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動(dòng)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)在國(guó)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]。可采集脈沖或電壓、電流、溫度等信號(hào),即采集現(xiàn)場(chǎng)各種儀表數(shù)據(jù)信號(hào)，送給單片機(jī)的處理。過(guò)程對(duì)象需檢測(cè)的參數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成可測(cè)數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換器變換成單片機(jī)、計(jì)算機(jī)能處理的信號(hào)，再送入系統(tǒng)的I/O模塊，I/O模塊也可設(shè)計(jì)成直接接收現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的電壓、電流、電阻或脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)由中央處理器處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化?，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。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)在國(guó)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。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(chǎng)實(shí)用性并不大。就目前國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)來(lái)說(shuō)，大多是采用國(guó)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(guó)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(shuō)這個(gè)行業(yè)正處于一個(gè)不斷發(fā)展并完善的階段。軟件設(shè)計(jì)部分則根據(jù)硬件模塊用C語(yǔ)言編寫進(jìn)行面向數(shù)據(jù)采集與控制過(guò)程的配套程序。系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。 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(lái)信息，并且對(duì)從機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了以下三個(gè)方案。缺點(diǎn)是PC體積都較大，且成本很高。 方案（一）：采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，模塊設(shè)計(jì)相當(dāng)成熟，且成本也較低。 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(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。 總體設(shè)計(jì)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(jì)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。處于設(shè)計(jì)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(jì)上加以區(qū)分。 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(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集研究現(xiàn)狀，本文主要工作內(nèi)容。 第四章：系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，其中包括：通信協(xié)議的設(shè)計(jì)、整體程序流程、系統(tǒng)初始化、RS485總線程序設(shè)計(jì)、繼電器控制程序設(shè)計(jì)、DA輸出控制程序設(shè)計(jì)、AD采集程序設(shè)計(jì)。但是，在工業(yè)控制等環(huán)境中，常會(huì)有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用RS232 通訊時(shí)經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤；另外，RS232 通訊的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達(dá)到15 米。RS232在1962 年發(fā)布，命名為EIA232E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA 又于1983 年在RS422 基礎(chǔ)上制定了RS485 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA485A 標(biāo)準(zhǔn)?；赑C 的RS23RS422 與RS485標(biāo)準(zhǔn)均采用同樣的通訊協(xié)議。發(fā)送器輸出信號(hào)電平(空載最大值)空載+/25V177。3V177。RS232 的電氣標(biāo)準(zhǔn)電平為邏輯“0”時(shí)：+3V～+15V；電平為邏輯“1”時(shí)：3V～15V；未定義區(qū)：－3V～＋3V。由于RS422/485 標(biāo)準(zhǔn)在電氣特性上非常相近，在傳輸方式上有所區(qū)別；為便于理解，下面將主要介紹應(yīng)用比較普遍的RS485 標(biāo)準(zhǔn)，并簡(jiǎn)單介紹RS422 標(biāo)準(zhǔn)與RS485 標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。RS485 標(biāo)準(zhǔn)與RS232 不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式（Differential Driver Mode），也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖 ?！笆鼓堋毙盘?hào)用于控制發(fā)送發(fā)送器與傳輸線的切斷與連接，當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。 所示。 接收器敏感度177。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。RS485 網(wǎng)絡(luò)采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，需要安裝2 個(gè)終端匹配電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般取值為120Ω）。同時(shí)，RS485 電路具有控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。 RS485 通訊協(xié)議RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議；因此，用戶需要在RS485 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立自己的應(yīng)用層通信協(xié)議。比如，很多具有RS485 接口電路的用戶設(shè)備采用自己制定的簡(jiǎn)單通訊協(xié)議，或是直接取自ModBus 協(xié)議(AscII/RTU 模式)中的一部分功能；在電力通訊領(lǐng)域，當(dāng)前國(guó)家現(xiàn)在執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，頒布有按設(shè)備分類的各種通訊規(guī)約，如CDT、SC180u4F、 規(guī)約和1995 年的IEC608705101 傳輸規(guī)約、1997 年的國(guó)際101 規(guī)約的國(guó)內(nèi)版本DL/T6341997規(guī)約；在電表應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的廠商采用多功能電能表通訊規(guī)約(DL/T6451997)。 1． 查詢—響應(yīng)周期ModBus 協(xié)議遵循“查詢—響應(yīng)”模式，如圖 所示。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出響應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。代碼系統(tǒng)：8 位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0...9，A...F消息中的每個(gè)8 位域都是一個(gè)兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成每個(gè)字節(jié)的位：1 個(gè)起始位8 個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送1 個(gè)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)校驗(yàn)則無(wú)1 個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)），2 個(gè)Bit（無(wú)校驗(yàn)時(shí)）錯(cuò)誤檢測(cè)域：CRC(循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)) 3． RTU 幀使用RTU 模式， 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時(shí)間。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。 所示： RTU 消息幀起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束符T1T2T3 T48Bit8Bitn 個(gè)8Bit 16Bit T1T2T3T4 4． 地址地址0 是用作廣播地址，以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。對(duì)異議響應(yīng)，從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼，但最重要的位置為邏輯1。從主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含附加的信息：從設(shè)備必須用于進(jìn)行執(zhí)行由功能代碼所定義的行為。 多功能電能表通訊規(guī)約(DL/T6451997)國(guó)內(nèi)江蘇、浙江、上海地區(qū)的電表廠商采用多功能電能表通訊規(guī)約(DL/T6451997)作為電表的遠(yuǎn)程控制通訊協(xié)議；這是一個(gè)在RS485 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1920]。校驗(yàn)碼：幀開始各個(gè)字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)溢出值。2 終端匹配電阻為了匹配網(wǎng)絡(luò)的通訊阻抗，減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，有效抑制噪聲干擾，提高RS485 通訊的可靠性，需要在RS485 網(wǎng)絡(luò)的2 個(gè)端點(diǎn)各安裝1 個(gè)終端匹配電阻。其中RS485標(biāo)準(zhǔn)介紹了從RS232到RS485的演變由來(lái)及它們的區(qū)別，通信規(guī)約部分則介紹了多功能電能表通訊規(guī)約(DL/T6451997)和ModBus 協(xié)議(RTU 模式)，應(yīng)用要點(diǎn)則是從芯片選擇和終端電阻匹配兩方面進(jìn)行介紹的。其中單片機(jī)應(yīng)用電路為整個(gè)系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的控制由單片機(jī)進(jìn)行處理。繼電器控制電路作為開關(guān)與RS485接口電路配合負(fù)責(zé)主機(jī)對(duì)從機(jī)的控制。2．工作電壓：~（5V單片機(jī)）/~（3V單片機(jī)）。6．通過(guò)I/O口（27/23個(gè)），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(shí)，可省外部復(fù)位電路）。12．共2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。16．SPI同步通信口，主模式/從模式?？梢哉f(shuō)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(gè)片上系統(tǒng)（SOC），可以很容易地構(gòu)成典型的測(cè)控系統(tǒng)。上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將 8 路中的任何一路設(shè)置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 I/O口使用。如果有些用戶的Vcc不固定，如電池供電，電池電壓在 之間漂移，則Vcc不固定，就需要在 8 路 A/D轉(zhuǎn)換的一個(gè)通道外接一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓源，來(lái)計(jì)算出此時(shí)的工作電壓Vcc，再計(jì)算出其他幾路 A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓。能提供固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。C9為電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。 主從機(jī)RS485接口電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口是RS485串行接口，RS485接口電路用到的發(fā)送器、接收器芯片是MAX485，發(fā)送器的A、B引腳和接收器的A、B引腳是對(duì)應(yīng)連接的，在收發(fā)器中會(huì)出現(xiàn)這種情況，它只能用于半雙工通信。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。 MAX485引腳圖和典型工作電路，它們便于半雙工的通信接口電路使用。模擬電路和AD變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評(píng)價(jià)采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)光敏二極管接收信號(hào)并經(jīng)內(nèi)部高增益線性放大器把信號(hào)放大后,由集電極開路門輸出。內(nèi)部噪聲防護(hù)裝置提供了典型10kV/μs的共模抑制功能。6腳為輸出端 Output(Open collector開路集電極)；7腳為Enable（使能端）；8腳電源端。： 2路繼電器控制電路其中的TLP5212為光電隔離器，光耦合器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏(三極)管封裝在一起。D19是保護(hù)二極管。 TLC5615功能框圖 TLC5615 ,它主要由以下幾部分組成:(1) 10 位DAC 電路；(2) 一個(gè)16 位移位寄存器, 接受串行移入的二進(jìn)制數(shù),并且有一個(gè)級(jí)聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出DOUT ；(3) 并行輸入輸出的10 位DAC 寄存器, 為10位DAC 電路提供待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；(4) 電壓跟隨器為參考電壓端REFIN 提供很高的輸入阻抗,大約10MΩ；(5) 2 電路提供最大值為2 倍于REFIN 的輸出； (6) 上電復(fù)位電路和控制電路。? CS ,芯片選擇,低有效。? OUT ,DAC 模擬電壓輸出端?？梢钥闯?只有當(dāng)片選CS 為低電平時(shí), 串行輸入數(shù)據(jù)才能被移入16 位移位寄存器。 當(dāng)片選CS 為高電平時(shí),串行輸入數(shù)據(jù)不能被移入16 位移位寄存器。第二種方式為級(jí)聯(lián)方式, 即16位數(shù)據(jù)序列, 可以將本片的DOUT接到下一片的DIN, 需要向16位移位寄存器按先后輸入高4位虛擬位、10位有效位和低2位填充位, 由于增加了高4位虛擬位, 所以需要16個(gè)時(shí)鐘脈沖。LM358里面包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了以STC12C5410AD單片機(jī)為核心的基于RS485通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制器，根據(jù)系統(tǒng)要求確立了3路數(shù)據(jù)采集電路、2路數(shù)據(jù)反饋電路、2路繼電器控制電路。 通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 對(duì)于任何涉及數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的系統(tǒng)，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)都是軟件設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵。 （2）主機(jī)在發(fā)送完準(zhǔn)備好命令后，進(jìn)入接收狀態(tài)。（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用9600波特率，若傳輸距離超過(guò)200米，可考慮降低波特率。數(shù)據(jù)的詳細(xì)格式，： 基于RS485總線的遠(yuǎn)程采集與控制系統(tǒng)發(fā)送幀格式表 數(shù)據(jù)位置01234567功能起始字節(jié)固定0Xaa地址起始字節(jié)固定0X001路DA輸出值高2位1路DA輸出值低8位2路DA輸出值高2位2路DA輸出值低8位1路ADC測(cè)量值高2位數(shù)據(jù)位置89 10 11 12 13 14 15功能1路ADC測(cè)量值低8位2路ADC測(cè)量值高2位2路ADC測(cè)量值低8位3路ADC測(cè)量值高2位3路ADC測(cè)量值低8位1個(gè)或多個(gè)按鍵按下的鍵值結(jié)束字節(jié)固定0X55 起始字節(jié)定義為“0xaa”，結(jié)束字節(jié)定義為“0x55”當(dāng)起始字節(jié)跟結(jié)束字節(jié)有誤時(shí)，從機(jī)都收不到數(shù)