【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，設(shè)計(jì)充分考慮實(shí)際應(yīng)用和對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，設(shè)計(jì)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(jiǎn)單可靠，用途多樣，具有一定靈活性。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。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(zhǎng)避短可發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于以上方案，應(yīng)該說(shuō)是各有優(yōu)勢(shì)，并不能對(duì)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(duì)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(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。 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(shí)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(lái)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(jiǎn)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(gè)主機(jī)方案，最終選擇以52單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成系統(tǒng)對(duì)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(tái)主機(jī)，多臺(tái)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(méi)關(guān)系，只要主機(jī)能讀取從機(jī)采集回來(lái)的信息即可，根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)方案。 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。非常適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。缺點(diǎn)是：接口的信號(hào)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(shí)，波特率為20Kbps。現(xiàn)在由于采用新的UART 芯片16C550 等，；接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)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(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)。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(cè)到低至200mV電壓。故傳輸信號(hào)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(tái)，具強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。綜合以上兩個(gè)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(duì)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(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。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)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(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)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(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。這樣，在不通過(guò)RS485總線的情況下系統(tǒng)也能進(jìn)行2路繼電器開(kāi)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(hào)的工作，只是無(wú)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(hào)通過(guò)RS485總線傳給從機(jī),從機(jī)判斷主機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)信息再通過(guò)繼電器控制電路控制AD電路和DA電路工作，最后又通過(guò)RS485總線傳回信息給主機(jī)。如此循環(huán)，達(dá)到主機(jī)對(duì)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(guó)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(duì)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(gè)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(jì)，其中包括：?jiǎn)纹瑱C(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(jì)。 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)。 第五章：對(duì)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。2 RS485 協(xié)議規(guī)范 通常的微處理器都集成有 1 路或多路硬件UART 通道，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)串行通訊。在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中，也常常使用簡(jiǎn)便易用的串行通訊方式作為數(shù)據(jù)交換的手段。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。為了解決上述問(wèn)題，RS485/422 通訊方式就應(yīng)運(yùn)而生了。本章將詳細(xì)介紹485 標(biāo)準(zhǔn)、通訊規(guī)約、應(yīng)用要點(diǎn)。 RS232/422/485 標(biāo)準(zhǔn)RS23RS422 與RS485 最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的。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。RS422是由RS232 發(fā)展而來(lái)，它是為彌補(bǔ)RS232 之不足而提出的。為改進(jìn)RS232 通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000 英尺（速率低于100kbps 時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10 個(gè)接收器。RS422 是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA422A 標(biāo)準(zhǔn)。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)。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。RS23RS422 與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，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。但由于PC 上的串行數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)UART 芯片(較老版本的PC 采用I8250 芯片或Z8530 芯片)來(lái)處理的，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?；赑C 的RS23RS422 與RS485標(biāo)準(zhǔn)均采用同樣的通訊協(xié)議。表格 列出了RS23RS42RS485 通訊方式的區(qū)別。表 RS23RS42RS485 的區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)RS232RS 422RS 485工作方式單端差分差分節(jié)點(diǎn)數(shù)1收、1發(fā)1發(fā)、10收1發(fā)、32收最大傳輸電纜長(zhǎng)度50英尺4000英尺4000英尺最大傳輸速率20Kbps10Mbps10Mbps最大驅(qū)動(dòng)輸出電壓+/25V～+6V7V～+12V發(fā)送器輸出信號(hào)電平(負(fù)載最小值)負(fù)載+/5V～+/15V177。177。發(fā)送器輸出信號(hào)電平(空載最大值)空載+/25V177。6V177。6V發(fā)送器負(fù)載阻抗(Ω)3K～7K10054擺率(最大值)30V/μsN/AN/A接收器輸入電壓范圍177。15V10V～+10V7V～+12V接收器輸入門限177。3V177。200mV177。200mV接收器輸入電阻(Ω)3K～7K4K(最小)≥12K發(fā)送器共模電壓3V～+3V1V～+3V接收器共模電壓7V～+7V7V～+12V RS232 標(biāo)準(zhǔn)RS232 被定義為一種在低速率、近距離串行通訊的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。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。在此區(qū)域內(nèi)的信號(hào)處理將由通訊接口的RS232 收發(fā)器決定。 RS422/485 標(biāo)準(zhǔn)RS422/485 標(biāo)準(zhǔn)的全稱為TIA/EIA422B 和TIA/EIA485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。RS422/485標(biāo)準(zhǔn)與RS232 標(biāo)準(zhǔn)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。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。電子工業(yè)協(xié)會(huì)（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(huì)（TIA）修訂后命名為TIA/EIA485A，習(xí)慣地稱之為RS485 標(biāo)準(zhǔn)。RS485 標(biāo)準(zhǔn)是為彌補(bǔ)RS232 通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS485 標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。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 。 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(gè)邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C。在RS485 器件中，一般還有一個(gè)“使能”控制信號(hào)?！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)。對(duì)于接收發(fā)送器，也作出與發(fā)送發(fā)送器相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線將AA與BB 對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)在接收端AB 之間有大于+200mV 的電平時(shí)，輸出為正邏輯電平；小于200mV 時(shí)，輸出為負(fù)邏輯電平。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。 所示。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。TIA/EIA485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)的性能如表格 所示： 表 TIA/EIA485 通訊方式的性能參數(shù)規(guī)格TIA/EIA485傳輸模式平衡電纜長(zhǎng)度＠90Kbps4000 ft（1200m）電纜長(zhǎng)度＠10Mbps50 ft（15m）數(shù)據(jù)傳輸速度10 Mbps最大差動(dòng)輸出177。 6V最小差動(dòng)輸出177。 接收器敏感度177。 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。通常，RS485 網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。平衡雙絞線的長(zhǎng)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(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般來(lái)說(shuō)，15 米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。注意：并不是所有的RS485 收發(fā)器都能夠支持高達(dá)10Mbps 的通訊速率。如果采用光電隔離方式，則通訊速率一般還會(huì)受到光電隔離器件響應(yīng)速度的限制。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）。在矩距離、或低波特率波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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。終端匹配電阻安裝在RS485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn)，并聯(lián)連接在AB 引腳之間。RS485 標(biāo)準(zhǔn)通常被用作為一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、具有相當(dāng)高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)、寬共模范圍的通信平臺(tái)。同時(shí)，RS485 電路具有控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的20 年時(shí)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。目前，在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，RS485半雙工異步通信總線也是被各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。但是基于在RS485 總線上任一時(shí)刻只能存在一個(gè)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 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。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。目前，RS485 在國(guó)內(nèi)有著非常廣泛的應(yīng)用，許多領(lǐng)域，比如工業(yè)控制、電力通訊、智能樓宇等都經(jīng)?？梢砸?jiàn)到具有RS485 接口電路的設(shè)