【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .......... 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(jì) ........................................ 45 繼電器控制程序的設(shè)計(jì) ....................................... 46 2 路 DA 輸出控制程序設(shè)計(jì) ..................................... 46 3 路 AD 采集程序設(shè)計(jì) ......................................... 47 本章小結(jié) ................................................... 50 5 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 ...................................................... 59 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 59 頁(yè) 1 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(chǔ)、處理以及控制等問(wèn)題。其任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種參數(shù)進(jìn)行采集，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得到所需的數(shù)據(jù)。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。 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。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(shì)。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(chǎng)去采集數(shù)據(jù)就變得繁重而繁瑣了，這時(shí)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集就是一種非常簡(jiǎn)單而且有效的方法 [1]。由此可見(jiàn)，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。 近年來(lái)，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(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面升華到一個(gè)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(lái)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(cè)量?jī)x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(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)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，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(guò)這一技術(shù)的應(yīng)用很快發(fā)展成為一個(gè)潛力巨大、市場(chǎng)廣闊的產(chǎn)業(yè) [5]。 目前國(guó)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(méi)有規(guī)定一個(gè)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(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]。由于形式復(fù)雜和多樣，問(wèn)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)。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 59 頁(yè) 論文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)當(dāng)前在國(guó)內(nèi)的實(shí)際狀況下通用、開(kāi)放的系統(tǒng)，因此采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)方案。本文設(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)程控制的系統(tǒng)，利用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制。 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。單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)再對(duì)外部裝置進(jìn)行控制。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DataAcquisitionSysteln)簡(jiǎn)稱 DAS 系統(tǒng) ,是對(duì)工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、儲(chǔ)存及各種控制的裝置。在很多行業(yè)都有較廣應(yīng)用。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。 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(shí)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(jì)分 析等、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或即時(shí)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(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)。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(guò)簡(jiǎn)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(gè)新的系統(tǒng) [11， 12]。 現(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?？煽啃圆粩嗵岣撸瑪?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(wú)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 59 頁(yè) 泛的應(yīng)用 [13]。 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。由于形式復(fù)雜和多樣，問(wèn)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(guó)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(kāi)發(fā)新技術(shù)。國(guó)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(wú)線遙讀遙控方式、電話線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GSM(GPRS)無(wú)線數(shù)據(jù)采集等 [14， 15]，但國(guó)外此行業(yè)的許多技術(shù)和運(yùn)行方式在國(guó)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(chǎng)實(shí)用性并不大。 國(guó)內(nèi)自九十年代初開(kāi)始研制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由于中國(guó)的實(shí)際國(guó)情，長(zhǎng)期一直沒(méi)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(chǎng)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(gè)統(tǒng)一的規(guī)范。 在目前國(guó)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(jì)量?jī)x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(shí)及數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)表達(dá)格式的要求，對(duì)技術(shù)的采用并沒(méi)有提出太多限制 [16]。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。 本文主要工作內(nèi)容 本論文的是對(duì)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(gè)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(jì)好以后還要分別設(shè)計(jì)配合主從機(jī)使用的軟件。其中硬件電路的說(shuō)明應(yīng)分模塊功能不同詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)于其中用到的芯片，也要加以介紹。軟件設(shè)計(jì)部分則根據(jù)硬件模塊用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)進(jìn)行面向數(shù)據(jù)采集與控制過(guò)程的配套程序。程序設(shè)計(jì)為硬件服務(wù)，說(shuō)明時(shí)畫(huà)出流程圖，以增強(qiáng)程序可讀性。 工作安排流程圖如下： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 共 59 頁(yè) 圖 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(jì)； （ 2） 采集 3 路節(jié)點(diǎn)信號(hào)； （ 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(jì)方案論證 論文設(shè)計(jì)的是一個(gè)通用、開(kāi)放的系統(tǒng)方案，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 開(kāi)始 閱讀資料，可行性分析 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 硬件各部分分別設(shè)計(jì) 軟件整體設(shè)計(jì) 軟件各部分分別設(shè)計(jì) 化函數(shù) 軟硬件調(diào)試 結(jié)束 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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c TTL 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 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 59 頁(yè) 芯片 16C550 等，波特率達(dá)到 ；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，最高的通訊高達(dá) 。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)