【文章內(nèi)容簡介】 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（論文） 第 4 頁 共 59 頁 圖 工作安排流程圖 系統(tǒng)分析 （ 1）研究 RS485 總線技術(shù)的運用，即如何進行通信協(xié)議的設(shè)計； （ 2） 采集 3 路節(jié)點信號； （ 3） 反饋 2 路模擬控制量 （最大輸出電壓能達到 10V）； （ 4） 2 路繼電器遠程控制。 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 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 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 共 59 頁 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，遠程數(shù)據(jù)采集方案也層出不窮。各種方案都有其特點，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行分析。 1 主機部分方案論證 根據(jù)系統(tǒng)的要求，主機需要完成的功能是讀取從機采集回來信息，并且對從機的外設(shè)進行控制，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。缺點是只能采用貼片的封裝，但是由于工藝的原因，需要花費大量的時間在硬件電路的制作上。 方案（二）： 以 PC 機為控制核心，由 上位機來統(tǒng)一控制信息的采集，優(yōu)點是可以實現(xiàn)豐富的控制功能。缺點是 PC 體積都較大，且成本很高。 方案（三）： 以 52 系列單片機為控制核心，優(yōu)點是系統(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 綜合以上三個主機方案，最終選擇以 52 單片機為控制核心，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，多臺從機， 這就需要將主機和所有的從機全部都要連到一根總線，以滿足主機讀取從機的信息要求，至于通信方式是全雙工還是半雙工沒關(guān)系，只要主機能讀取從機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)點實現(xiàn)簡單，模塊設(shè)計相當(dāng)成熟，且成本也較低。非常適合點對點的通訊。缺點是：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與 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，波特率為 20Kbps?，F(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（論文） 第 6 頁 共 59 頁 芯片 16C550 等，波特率達到 ；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 。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)，而且 RS485 允許最大的從機數(shù)量達到 128 臺，具強大的擴展能力。 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)的點對多點的非平衡通訊模式和遠距離傳輸模式。 總體設(shè)計 本系統(tǒng)選擇 RS485 為系統(tǒng)的通信總線，以 52 單片機為控制核心，設(shè)計的目的是實現(xiàn)基于 RS485 總線上的數(shù)據(jù)通信與遠程控制。整個系統(tǒng)分為兩個部分：主機部分與從機部分。根據(jù)系統(tǒng)的要求，主機部分需要完成的功能是讀取并 顯示從機采集回來的實時數(shù)據(jù)信息，并且對從機的外設(shè)進行控制。從機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，并等待主機的控制命令。處于設(shè)計與使用的方便考慮 ,主機硬件電路跟從機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)點信號的工作，只是無法遠程通信。 主從機系統(tǒng)框圖如下： 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 59 頁 圖 遠程采集與控制器的系統(tǒng)框圖 主機單片機發(fā)送信號通過 RS485 總線傳給從機 ,從機判斷主機發(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。如此循環(huán)，達到主機對從機的控制功能。 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)方案進行論證。 第二章：介紹 RS485 通信協(xié)議，主要分 3 個方面進行介紹： RS485 標(biāo)準(zhǔn)、RS485 通訊協(xié)議、 RS485 應(yīng)用要點。 第三章：系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其中包括： 單片機應(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。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 59 頁 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，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用 RS232 通訊時經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號傳輸錯誤；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到15 米。為了解決上述問題， RS485/422 通訊方式就應(yīng)運而生了。本章將詳細介紹 485 標(biāo)準(zhǔn)、通訊規(guī)約、應(yīng)用要點。 RS232/422/485 標(biāo)準(zhǔn) RS23 RS422 與 RS485 最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（ 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，它是為彌補 RS232 之不足而提出的。為改進 RS232 通信距離短、速率低的缺點， RS422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到 10Mbps，傳輸距離延長到 4000 英尺（速率低于 100kbps 時），并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個接收器。 RS422 是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為 TIA/EIA422A 標(biāo)準(zhǔn)。為擴展應(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、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，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。 RS23 RS422 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對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 UART 芯片 (較 老版本的 PC 采用 I8250 芯片或 Z8530 芯片 )來處理的，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)校驗位， 1/2 位邏輯 1 的停止位?；?PC 的 RS23 RS422 與 RS485南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 59 頁 標(biāo)準(zhǔn)均采用同樣的通訊協(xié)議。 表格 列出了 RS23 RS42 RS485 通訊方式的區(qū)別。 表 RS23 RS42 RS485 的區(qū)別 標(biāo)準(zhǔn) RS232 RS 422 RS 485 工作方式 單端 差分 差分 節(jié)點數(shù) 1收、 1發(fā) 1發(fā)、 10收 1發(fā)、 32收 最大傳輸電纜長度 50 英尺 4000 英尺 4000 英尺 最大傳輸速率 20Kbps 10Mbps 10Mbps 最大驅(qū)動輸出電壓 +/25V ～ +6V 7V～ +12V 發(fā)送器輸出信號電平 (負(fù)載最小值 ) 負(fù)載 +/5V～ +/15V 177。 177。 發(fā)送器輸出信號電平 (空載最大值 ) 空載 +/25V 177。6V 177。6V 發(fā)送器負(fù)載阻抗 (Ω) 3K～ 7K 100 54 擺率 (最大值 ) 30V/μs N/A N/A 接收器輸入電壓范圍 177。15V 10V～ +10V 7V～ +12V 接收器輸入門限 177。3V 177。200mV 177。200mV 接收器輸入電阻 (Ω) 3K～ 7K 4K(最小 ) ≥12K 發(fā)送器共模電壓 3V～ +3V 1V～ +3V 接收器共模電壓 7V～ +7V 7V～ +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： +3V～ +15V； 電平為邏輯 ―1‖時： 3V～ 15V； 未定義區(qū)：－ 3V～＋ 3V。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。 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)信號采用差分傳輸方式（ Differential 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 共 59 頁 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（ 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)。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)是為彌補 RS232 通信距離短、速率低等缺點而產(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)信號采用差分傳 輸方式（ Differential Driver Mode），也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，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，是一個邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在 2～ 6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地 C。在 RS485 器件中，一般還有一個 ―使能 ‖控制信號。 ―使能 ‖信號用于控制發(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，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)。 對于接收發(fā)送器，也作出與發(fā)送發(fā)送器相