【正文】 只需要通過 3根串行總線就可以完成 10位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器 (單片機(jī) ) 接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話 ,也適 用于數(shù)字失調(diào)與增。D19 是保護(hù)二極管。使電路之間的信號(hào)傳輸，前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的 2 路繼電器控制電路如圖 所示 ： 圖 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。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時(shí)，輸出南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 共 59 頁 高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。 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。 圖 6N137 光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖 6N137 管腳說明如下： 2 腳和 3 腳為輸入端： 2:Anode（陽極）， 3:Cathode（陰極）。內(nèi)部噪聲防護(hù)裝置提供了典型 10kV/μs 的共模抑制功能。該光電器件高、低電平傳輸延遲時(shí)間短 ,典型值僅為 45ns ,已接近 TTL 電路傳輸延遲時(shí)間的水平。 通過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。 高速光電耦合器 6N137 由磷砷化鎵發(fā)光二極管和光敏集成檢測(cè)電路組成。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)。需要注意的是，收發(fā)器的發(fā)送器和接收器共用總線，所以接收信號(hào)和輸出信號(hào)都用 A 和 B表示。 圖 MAX485 引腳圖和典型 工作電路 表 為 MAX485 接口芯片的收發(fā)器的邏輯真值表，它們便于半雙工的通信接口電路使用。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單，只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可，同時(shí)將 A 和 B 端之間加匹配電阻，一般可選 100Ω 的電阻。其引腳結(jié)構(gòu)圖見圖 所示。該芯片采用單一電源 +5V 工作，額定電流為 300uA，采用半雙工通 訊方式。具體的電路連接圖見圖 所示 。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和 C9 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓，為單片機(jī)的正常工作提供可靠的保證。 D17 是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入短路時(shí)，給輸出電容器 C9 一個(gè)通路，防止穩(wěn)壓器件損壞。 圖 34 所示電路為輸出電壓 +5V 的穩(wěn)壓電源，圖中 C C10 用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償 ,防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。 圖 電源模塊電路 該電源電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用到了 LM7805 ， LM7805 是一個(gè)三端正 5V 穩(wěn)壓器(1A)， 三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁 共 59 頁 源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。此模塊將日常常見的 12V 電源轉(zhuǎn)化為適合單片機(jī)的 5V 電源。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。 STC12C5410AD 單片機(jī)的參考電壓源是輸入工作電壓 Vcc，所以一般不用外接參考電壓源。上電復(fù)位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設(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。 STC12C5410AD 帶 A/D 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)在 P1 口，有 8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 速度可達(dá) 100KHz。 圖 STC12C5410AD 單片機(jī)封裝 STC12C5410AD 單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、 EEPROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 I/O 接口、 UART 接口和中斷系統(tǒng)、SPI 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 PWM（或捕捉 /比較單元）以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi) RC 振蕩器等模塊。 17．工作溫度范圍： 0~75℃ /40~+85℃ 。 15．通用異步串行口（ UART）。 13． PWM(4 位 )/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列），也可用來在實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)定時(shí)器。 11．時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ~ 精度不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛袦仄?，?yīng)認(rèn)為是 5MHz~。 9．看門狗。 7． ISP（在系統(tǒng)可編程） /ASP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 5．片上集成 512 字節(jié) RAM。 3．工作頻率范圍： 0~35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0~420MHz。其主要性能特點(diǎn)如下： 1．增強(qiáng)型 1T 流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu) 8051CPU。圖 為硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。 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。它即協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又是數(shù)據(jù)處理器，是軟硬件系統(tǒng)連接的橋梁。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。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 共 59 頁 3 基于 RS485 通信遠(yuǎn)程采集與控制器的硬件設(shè)計(jì) 本章介紹 了主從機(jī)硬件電路部分的設(shè)計(jì)，主要從單片機(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、繼電器控制電路幾個(gè)部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。其中 RS485 標(biāo)準(zhǔn)介紹了從 RS232 到 RS485 的演變由來及它們的區(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。例如， RS485 網(wǎng)絡(luò)通常采用雙絞線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，其特性阻抗為120Ω，因此， RS485 總線上的兩個(gè)端點(diǎn) 也應(yīng)各安裝 1 個(gè) 120Ω的終端匹配電阻。 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。 數(shù)據(jù)域：發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)加 33H，接收時(shí)數(shù)據(jù)減 33H。 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。 幀起始符 （ 68H） 地址域 （ A0~A5） 幀起始符 （ 68H） 命令碼 （ C） 數(shù)據(jù)長度 （ L） 數(shù)據(jù)域（ DATA） 校驗(yàn)碼 （ CS） 結(jié)束符 （ 16H） 地址域 A0～ A5：當(dāng)?shù)刂肺?999999999999H 時(shí)，為廣播地址，同時(shí)當(dāng)從控制器接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，地址域相同時(shí)應(yīng)響應(yīng)命令，取得總線控制權(quán)，當(dāng)響應(yīng)命令之后，應(yīng)把總線控制權(quán)歸還給主控器。 多功能電能表通訊規(guī)約 (DL/T6451997) 國內(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]。 例如，如果主設(shè)備需要從設(shè)備讀取一組保持寄存器（功能代碼 03），數(shù)據(jù)域指定了起始寄存器以及要讀的寄存器數(shù)量。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 共 59 頁 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。對(duì)異議響應(yīng)，它返回： 1 0 0 0 0 0 1 1 （十六進(jìn)制 83H） 除功能代碼因異議錯(cuò)誤作了修改外，從設(shè)備將一獨(dú)特的代碼放到響應(yīng)消息的數(shù)據(jù)域中，這能告訴主設(shè)備發(fā)生了什么錯(cuò)誤。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。 5． 響應(yīng) 當(dāng)從設(shè)備響應(yīng)時(shí)，它使用功能代碼域來指示是正常響應(yīng) (無誤 )還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生（稱作異議響應(yīng)）。一典型的消息幀如下表 所示： 表 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 T4 8Bit 8Bit n 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)。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于 個(gè)字符時(shí)間內(nèi)開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。 整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流轉(zhuǎn)輸。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少 個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。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。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址。 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，無校驗(yàn)則無 1 個(gè)停止位（有校驗(yàn)時(shí)）， 2 個(gè) Bit（無校驗(yàn)時(shí)） 錯(cuò)誤檢測(cè)域： CRC(循環(huán)冗長檢測(cè) ) 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù) 據(jù) 錯(cuò)誤檢測(cè) 主設(shè)備的查詢消息 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù) 據(jù) 錯(cuò)誤檢測(cè) 從設(shè)備回應(yīng)消息 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 共 59 頁 3． RTU 幀 使用 RTU 模式，消息發(fā)送至少要以 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始。 圖 ModBus 協(xié)議的 ―查詢 —響應(yīng) ‖模式 2． RTU 模式 RTU 模式的格式： 地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 ... 數(shù)據(jù) n CRC高字節(jié) CRC低字節(jié) 當(dāng)控制器設(shè)為在 Modbus 網(wǎng)絡(luò)上以 RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè) 8Bit 字節(jié)包含兩個(gè) 4Bit 的十六進(jìn)制字符。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。 響應(yīng)： 如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的響應(yīng)，在響應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的響應(yīng)。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。數(shù)據(jù)段包含了南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 共 59 頁 從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。 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。 ModBus 協(xié)議 (RTU 模式 ) 以下資料摘錄于 Modbus 協(xié)議 (RTU 模式 )的一部分，介紹了 Modbus RTU 協(xié)議的基本構(gòu)成、主要特點(diǎn)、參數(shù)規(guī)定；便于我們理解一個(gè)通訊協(xié)議的基本模式與要求 [18] 。 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、 SC180 u4F、 規(guī)約和 1995 年的 IEC608705101 傳輸規(guī)約、 1997 年的國際 101 規(guī)約的國內(nèi)版本 DL/T6341997規(guī)約；在電表應(yīng)用中，國內(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)。 目前， RS485 在國內(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)?？梢砸姷骄哂?RS485 接口電路的設(shè)備。 南華大學(xué)船山學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 共 59 頁 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。目前，在我國應(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。同時(shí)， RS485 電路具有控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。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 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）。 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。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。 通常， RS485 網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。 接收器敏感度 177。 TIA/EIA485 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)的性能如表格 所示： 南華