基于RS485的远程采集与控制系统的设计_毕业设计(论文).doc

南华大学毕业设计(论文)题 目 基于rs485的远程采 集与控制器设计 专业名称 通 信 工 程 论文 (设计) 内容及要求：一、 论文内容1.完成硬件电路的设计，主要包括处理器最小系统、3路ad/da采集电路、组继电器控制电路、rs485通信电路等；2. 完成软件程序的编写，主要包括系统初始化、ad/da驱动、485通信协议等；3.所设计的采集与控制器能够通过rs485远程通信采集3路节点信号，并能反馈2路模拟控制量。二、 论文基本要求 1.了解远程采集与控制器设计的发展动态； 2.了解目前主流有线通信协议，例：rs232、rs485、can-bus等，及各自优缺点； 3.掌握rs485关键通信协议；4.掌握常用ad/da电路，以及控制电路的设计方法；5.掌握利用keil软件进行单片机系统开发；6.熟练应用c语言编写相关驱动算法；三、 写作要求 1.阅读和翻译3000 字以上本课题英文资料； 2.完成设计，做出实物并上交论文，论文格式参照国家相关标准和南华大学毕业设计要求，并提供对应的电子文档；3.论文字数不少于15000字，a4纸打印（word2003排版）四、 时间要求 2012年12月24日2013年1月10日 理解设计要求，查阅相关资料； 2013年2月12日2013年4月10日 根据所查阅的资料，完成部分论文初稿； 2013年4月11日2013年5月10日 完成毕业设计初稿； 2013年5月11日2013年5月30日 完成完整的毕业设计论文； 2013年5月31日2013年6月8日 准备毕业论文答辩。 2013年6月9日2013年6月12日 毕业论文答辩。指导老师： 年 月 日南华大学船山学院毕业设计（论文）基于rs485通信的远程采集与控制器设计摘 要：在一些环境条件恶劣、异常危险的环境中，如深井、对人体危害极大强辐射空间、人体活动不便的空间，要做到现场数据综合分析并做出现场决策，几乎是不可能做到的。在这些环境中，远程数据采集与控制系统有着其巨大优势。还有一些管理分散，数据采集量大的工作条件下，人到现场去采集数据就变得非常繁琐了，这时，远程数据采集就是一种非常简单而且有效的方法。所以本文便提出一种基于rs485通信的远程数据采集与控制的方法。本文设计的目的是实现3路数据采集处理，2路数据反馈装置，2路继电器控制远程控制。本文首先对涉及的rs485协议进行介绍，其次会给出远程数据采集与控制系统的硬件设计方案，硬件设计中包括单片机应用电路、电源稳压电路、ad采集电路、da电路、rs485接口电路、继电器控制电路几个部分的硬件电路设计。最后给出切实可行的软件设计方案，在这个方案中会给出通信协议、整体设计与实现、系统的初始化、rs485总线程序、继电器控制程序、da输出控制程序、ad采集程序的设计。本设计的的采集模块不局限某一单一用途，可以完成温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量的采集。系统接口简单可靠，用途多样，具有一定灵活性。关键词：rs485；远程通信；数据采集；远程控制design of the remote acquisition and controller based on rs485 communicationabstract: in some poor and very dangerous conditions, such as deep well, strong radiation space which do harm to human beings and the space which is inconvenient for humans activities, its almost impossible to make on-the-spot comprehensive data analysis and decisions. in these conditions, remote data acquisition and control system has its great advantage. in some other conditions whose management is decentralized and data collection is large, to make on-the-spot data acquisition becomes very complicated, so remote data acquisition is a good and convenient way.this article will put forward a remote data acquisition and control method that is based on rs485 communication. its purpose of the design is to realize three-channel data acquisition processing, two-channel data feedback device, two-channel way relay control remote control. first, this article will introduce the rs485 protocol. then, this article will give the hardware design scheme of remote data acquisition and control system. the hardware design includes microcontroller application circuit, power supply voltage regulator circuit, ad sampling circuit and da circuit, rs485 interface circuit and relay control circuit part of the hardware circuit design. finally,practicalsoftwaredesignschemewillbegiven.thisdesignschemeincludes theoveralldesignandimplementation,systeminitialization,rs485bus,relaycontrol,daoutputcontrolprogram,theadacquisitionprogramdesign. collection module of this design is not limited, and not just for a single use, it can complete 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; remote communications; data acquisition and control目 录1 绪 论11.1 研究的背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 本文主要工作内容31.4 系统分析41.4.1任务要求41.4.2 设计方案论证41.4.3 总体设计61.5 本文章节安排72.1 rs-232/422/485 标准82.1.1 rs-232 标准92.1.2 rs-422/485 标准92.2 rs-485 通讯协议122.2.1 modbus 协议(rtu 模式)122.2.2 多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)152.3 rs-485 应用要点162.4 本章小结163 基于rs485通信远程采集与控制器的硬件设计173.1 硬件系统总体设计173.2 单片机应用电路183.3 电源模块电路203.4 主从机rs485接口电路设计213.5 继电器控制电路243.6 2路da转换电路253.6.1 tlc5615简介253.6.2 tlc5615功能框图253.6.3 tlc5615引脚功能263.6.4 tlc5615推荐工作条件263.6.5 tlc5615的时序273.6.6 tlc5615的两种工作方式273.6.7 da电路283.7 3路ad转换电路283.8 本章小结294 基于rs485通信远程采集与控制器的软件设计304.1 通信协议的设计304.2 主程序流程324.2.1 主机主程序流程324.2.2 从机主程序流程364.3系统初始化414.3.1 主机系统初始化414.3.2 从机系统初始化434.4 rs485总线的程序设计454.5 继电器控制程序的设计464.6 2路da输出控制程序设计464.7 3路ad采集程序设计474.8 本章小结505 总结与展望515.1 总结515.2 展望51谢 辞53参考文献54附件一 电路原理图56附件二 pcb图59ii1 绪 论1.1 研究的背景与意义数据采集与控制技术是信息科学的重要分支之一，它研究数据的采集、存储、处理以及控制等问题。其任务是对生产现场各种参数进行采集，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，将计算得到的数据按要求进行显示并判断作出决定，以便实现对某些物理量的监视控制。在一些环境条件恶劣、异常危险的环境中，如深井、对人体危害极大强辐射空间、人体活动不便的空间，要做到现场数据综合分析并做出现场决策，几乎是不可能做到的。在这些环境中，远程数据采集与控制系统有着其巨大优势。还有一些管理分散，数据采集量大的工作条件下，人到现场去采集数据就变得繁重而繁琐了，这时，远程数据采集就是一种非常简单而且有效的方法1。由此可见，对远程数据的采集和控制方面的研究是非常有必要的。近年来，大规模集成电路的飞速发展，计算机技术不断地推广应用，传统的仪器仪表、数字测量技术在数据采集方面升华到一个全新的阶段2。而随着科学技术的进步，数据采集与控制系统越来越趋向数字化、智能化、远距离方向发展。远程数据采集技术，广泛用于工业生产和民用生活，特别是智能化小区水、电、气、暖的抄表监控以及工业测量仪表的数据采集和监控等方面的应用非常普遍。它结合了计算机、网络通信和自动化管理等现代化技术，并不断融合更多更新的通信技术3，4。远程数据采集技术发展时间不长，其发展也是伴随着相关技术的进步才逐渐实用化，不过这一技术的应用很快发展成为一个潜力巨大、市场广阔的产业5。目前国内外采用的数据采集方案和运行方式多种多样，其所达到的目的和要求也不同。远程数据采集并没有规定一个固有的模式，包括其内容和形式都不断发展和变化。远程数据采集技术在国内外应用普遍,研究成果很多,数据采集形式和技术各异，所达到的目标和要求也不同6。由于形式复杂和多样，问题和实用性也比较多，许多技术目的单一，并不成系统。 论文的目标是设计一个当前在国内的实际状况下通用、开放的系统，因此采用了通用的标准去设计方案。本文设计的目的是实现基于rs-485总线上的数据通信与远程控制的系统，利用单片机对数据采集系统进行控制。可采集脉冲或电压、电流、温度等信号,即采集现场各种仪表数据信号，送给单片机的处理。单片机根据采集的数据通过继电器开关再对外部装置进行控制。1.2 国内外研究现状数据采集系统(dataacquisitionsysteln)简称das系统,是对工业过程数据进行运算、显示、储存及各种控制的装置。在很多行业都有较广应用。过程对象需检测的参数经转换元件转换成可测数字信号，再经转换器变换成单片机、计算机能处理的信号，再送入系统的i/o模块，i/o模块也可设计成直接接收现场来的电压、电流、电阻或脉冲信号，经过a/d转换器转换成数字信号由中央处理器处理。das系统在硬件配置上的独特要求,在进行具体结构设计时应综合考虑各种因素以满足用户的需求7，8。软件功能则更丰富，根据用户需要,可编制控制和服务程序,如操作指导、统计分析等、实现实时或即时打印或通信9。20世纪90年代至今，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统das。数据采集系统发生了极大的变化。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统10。目前数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块式结构,根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统11，12。现阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展。可靠性不断提高，数据采集系统物理层通信,由于采用rs485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用13。远程数据采集技术在国内外应用普遍,研究成果很多,数据采集形式和技术各异，所达到的目标和要求也不同。由于形式复杂和多样，问题和实用性也比较多，且许多技术目的单一，并不成系统。国外起步较早，某些地区在此领域己制订了相关行业数据采集标准，技术也较先进，并不断地开发新技术。国外应用比较先进，普遍的主要数据采集技术有电力线载波系统、手持或车载式无线遥读遥控方式、电话线数据采集系统、gsm(gprs)无线数据采集等14，15，但国外此行业的许多技术和运行方式在国内并不适用。一些采用新技术的方案也仅仅限于理论探讨，实际的市场实用性并不大。国内自九十年代初开始研制远程数据系统，由于中国的实际国情，长期一直没有相应的行业标准。远程数据采集产品市场广阔,发展潜力很大,到现在各种产品种类繁多,形式复杂,缺少一个统一的规范。在目前国内现有技术和现状的情况下，参照了欧洲类似的行业标准(modbus)，制订了远程数据采集的一些要求和规范，该标准规定了计量仪表数据传输的基本原则、接口形式及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全和数据表达格式的要求，对技术的采用并没有提出太多限制16。就目前国内的远程数据采集技术来说，大多是采用国外此行业类似技术和芯片，或采用一些成熟的数据通讯技术，并根据国内需求定制和发展，许多新技术不断出现和尝试，可以说这个行业正处于一个不断发展并完善的阶段。1.3 本文主要工作内容 本论文的是对基于rs485通信的数据采集与控制器设计的研究，因此要用一个章节介绍rs485同信协议。数据采集与控制的核心部件单片机是软硬件配合工作的，在系统硬件电路设计好以后还要分别设计配合主从机使用的软件。其中硬件电路的说明应分模块功能不同详细说明，对于其中用到的芯片，也要加以介绍。软件设计部分则根据硬件模块用c语言编写进行面向数据采集与控制过程的配套程序。程序设计为硬件服务，说明时画出流程图，以增强程序可读性。 工作安排流程图如下： 开始阅读资料，可行性分析系统整体设计硬件设计硬件各部分分别设计软件整体设计软件各部分分别设计化函数软硬件调试结束 图1.1 工作安排流程图1.4 系统分析1.4.1任务要求（1）研究rs485总线技术的运用，即如何进行通信协议的设计；（2）采集3路节点信号；（3）反馈2路模拟控制量（最大输出电压能达到10v）；（4）2路继电器远程控制。1.4.2 设计方案论证 论文设计的是一个通用、开放的系统方案，设计充分考虑实际应用和对现有设备的兼容性，设计的的采集模块可以完成温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量的采集。系统接口简单可靠，用途多样，具有一定灵活性。在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下，远程数据采集方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。对于以上方案，应该说是各有优势，并不能对比否决某种技术方案，论文方案的选择也仅仅是特定条件下的技术应用，以下对上述几种方案进行分析。 1 主机部分方案论证 根据系统的要求，主机需要完成的功能是读取从机采集回来信息，并且对从机的外设进行控制，设计了以下三个方案。 方案（一）： 以arm处理器为控制核心，优点是系统外设丰富，可以节省大量的外围设备及布线面积。缺点是只能采用贴片的封装，但是由于工艺的原因，需要花费大量的时间在硬件电路的制作上。 方案（二）： 以pc机为控制核心，由上位机来统一控制信息的采集，优点是可以实现丰富的控制功能。缺点是pc体积都较大，且成本很高。 方案（三）： 以52系列单片机为控制核心，优点是系统结构简单，利于各部分功能，且成本较低、体积较小，方便安装等。缺点是功能较少，如需要增加其它功能需要加入相应的硬件，但根据本系统的要求，以52单片机为核心，再加上ds18b20等信息转换模块就完成系统要求的功能综合以上三个主机方案，最终选择以52单片机为控制核心，来完成系统对信息的采集。 2 通讯总线接口方案论证系统的要求是一台主机，多台从机，这就需要将主机和所有的从机全部都要连到一根总线，以满足主机读取从机的信息要求，至于通信方式是全双工还是半双工没关系，只要主机能读取从机采集回来的信息即可，根据以上要求，设计了以下两个方案。 方案（一）：采用rs-232标准，优点实现简单，模块设计相当成熟，且成本也较低。非常适合点对点的通讯。缺点是：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与ttl 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与ttl 电路连接；传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kbps。现在由于采用新的uart 芯片16c550 等，波特率达到115.2kbps；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；传输距离有限，最大传输距离标准值为50 米，实际上也只能用在15米左右。 方案（二）：采用rs-485标准，它采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的ttl电平信号转换成差分信号a、b两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成ttl电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mv电压，最高的通讯高达2.5mbps。故传输信号在千米之外都是可以恢复，而且rs-485允许最大的从机数量达到128台，具强大的扩展能力。综合以上两个方案，本系统最终选择rs-485为系统的通信总线，这符合本系统的点对多点的非平衡通讯模式和远距离传输模式。1.4.3 总体设计本系统选择rs-485为系统的通信总线，以52单片机为控制核心，设计的目的是实现基于rs-485总线上的数据通信与远程控制。整个系统分为两个部分：主机部分与从机部分。根据系统的要求，主机部分需要完成的功能是读取并显示从机采集回来的实时数据信息，并且对从机的外设进行控制。从机部分需要完成的功能是负责采集相关信息传回给主机，并等待主机的控制命令。处于设计与使用的方便考虑,主机硬件电路跟从机硬件电路采用相同的电路,只是在软件设计上加以区分。这样，在不通过rs485总线的情况下系统也能进行2路继电器开关控制、反馈2路本地模拟控制量和采集3路本地节点信号的工作，只是无法远程通信。主从机系统框图如下： 图2.1 远程采集与控制器的系统框图 主机单片机发送信号通过rs485总线传给从机,从机判断主机发过来信息再通过继电器控制电路控制ad电路和da电路工作，最后又通过rs485总线传回信息给主机。如此循环，达到主机对从机的控制功能。1.5 本文章节安排根据研究目标,将本文分为五章，内容作如下安排:第一章：介绍远程数据采集与控制技术研究的额背景与意义， 国内外数据采集研究现状，本文主要工作内容。然后根据本文任务要求对系统方案进行论证。 第二章：介绍rs485通信协议，主要分3个方面进行介绍：rs485标准、rs485通讯协议、rs485应用要点。 第三章：系统的硬件设计，其中包括：单片机应用电路、ad采集电路、da电路、rs485接口电路、继电器控制电路的设计。 第四章：系统的软件设计，其中包括：通信协议的设计、整体程序流程、系统初始化、rs485总线程序设计、继电器控制程序设计、da输出控制程序设计、ad采集程序设计。 第五章：对全文进行总结，分析文章的创新之处与不足之处，最后提出继续完善本设计的研究方向。2 rs-485 协议规范 通常的微处理器都集成有 1 路或多路硬件uart 通道，可以非常方便地实现串行通讯。在工业控制、电力通讯、智能仪表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。但是，在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用rs-232 通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；另外，rs-232 通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15 米。为了解决上述问题，rs-485/422 通讯方式就应运而生了。本章将详细介绍485 标准、通讯规约、应用要点。2.1 rs-232/422/485 标准rs-232、rs-422 与rs-485 最初都是由电子工业协会（eia）制订并发布的。rs-232在1962 年发布，命名为eia-232-e，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。rs-422是由rs-232 发展而来，它是为弥补rs-232 之不足而提出的。为改进rs-232 通信距离短、速率低的缺点，rs-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mbps，传输距离延长到4000 英尺（速率低于100kbps 时），并允许在一条平衡总线上连接最多10 个接收器。rs-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为tia/eia-422-a 标准。为扩展应用范围，eia 又于1983 年在rs-422 基础上制定了rs-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a 标准。由于eia 提出的建议标准都是以“rs”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以rs 作前缀称谓。rs-232、rs-422 与rs-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。但由于pc 上的串行数据通讯是通过uart 芯片(较老版本的pc 采用i8250 芯片或z8530 芯片)来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（8-n-1 格式）：1 位逻辑0 的起始位，6/7/8 位数据位，1 位可选择的奇(odd)/偶(even)校验位，1/2 位逻辑1 的停止位。基于pc 的rs-232、rs-422 与rs-485标准均采用同样的通讯协议。表格 2.1 列出了rs-232、rs-422、rs-485 通讯方式的区别。表 2.1 rs-232、rs-422、rs-485 的区别标准rs232rs 422rs 485工作方式单端差分差分节点数1收、1发1发、10收1发、32收最大传输电缆长度50英尺4000英尺4000英尺最大传输速率20kbps10mbps10mbps最大驱动输出电压+/25v0.25v+6v7v+12v发送器输出信号电平(负载最小值)负载+/5v+/15v2.0v1.5v发送器输出信号电平(空载最大值)空载+/25v6v6v发送器负载阻抗()3k7k10054摆率(最大值)30v/sn/an/a接收器输入电压范围15v-10v+10v-7v+12v接收器输入门限3v200mv200mv接收器输入电阻()3k7k4k(最小)12k发送器共模电压-3v+3v-1v+3v接收器共模电压-7v+7v-7v+12v2.1.1 rs-232 标准rs-232 被定义为一种在低速率、近距离串行通讯的单端标准。rs-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。rs-232 的电气标准电平为逻辑“0”时：+3v+15v；电平为逻辑“1”时：-3v-15v；未定义区：3v3v。在此区域内的信号处理将由通讯接口的rs-232 收发器决定。2.1.2 rs-422/485 标准rs-422/485 标准的全称为tia/eia-422-b 和tia/eia-485 串行通讯标准。rs-422/485标准与rs-232 标准不一样，数据信号采用差分传输方式（differential driver mode），也称作平衡传输。由于rs-422/485 标准在电气特性上非常相近，在传输方式上有所区别；为便于理解，下面将主要介绍应用比较普遍的rs-485 标准，并简单介绍rs-422 标准与rs-485 标准的区别。电子工业协会（eia）于1983 年制订并发布rs-485 标准，并经通讯工业协会（tia）修订后命名为tia/eia-485-a，习惯地称之为rs-485 标准。rs-485 标准是为弥补rs-232 通信距离短、速率低等缺点而产生的。rs-485 标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。rs-485 标准与rs-232 不一样，数据信号采用差分传输方式（differential driver mode），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a，另一线定义为b，如图 2.1所示。 图 2.1 rs-485 发送器的示意图 图 2.2 rs-485 接收器的示意图 通常情况下，发送发送器a、b 之间的正电平在+2+6v，是一个逻辑状态；负电平在-2-6v，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c。在rs-485 器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a-a与b-b 对应相连。当在接收端a-b 之间有大于+200mv 的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200mv 时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200mv至6v 之间。参见图2.2 所示。定义逻辑1（正逻辑电平）为ba 的状态，逻辑0为ab 的状态，a、b 之间的压差不小于200mv。tia/eia-485 串行通讯标准的性能如表格 2.2 所示： 表 2.2 tia/eia-485 通讯方式的性能参数规格tia/eia485传输模式平衡电缆长度90kbps4000 ft（1200m）电缆长度10mbps50 ft（15m）数据传输速度10 mbps最大差动输出 6v最小差动输出 1.5v接收器敏感度0.2 v发送器负载（欧姆）60最大发送器数量32 单位负载最大接收器数量32 单位负载rs-485 标准的最大传输距离约为1219 米，最大传输速率为10mbps。通常，rs-485 网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20kbps 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15 米长双绞线最大传输速率仅为1mbps。注意：并不是所有的rs-485 收发器都能够支持高达10mbps 的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。rs-485 网络采用直线拓朴结构，需要安装2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在300 米以下、19200bps 不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在rs-485 传输网络的两个端点，并联连接在a-b 引脚之间。rs-485 标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，rs-485 电路具有控制方便、成本低廉等优点。在过去的20 年时间里，建议性标准rs-485 作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网络中，rs-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在rs-485 总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间17。2.2 rs-485 通讯协议rs-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议；因此，用户需要在rs-485 应用网络的基础上建立自己的应用层通信协议。由于rs-485 标准是基于pc 的uart 芯片上的处理方式，因此，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（8-n-1 格式）：1 位逻辑0 的起始位，6/7/8 位数据位，1 位可选择的奇(odd)/偶(even)校验位，1/2 位逻辑1 的停止位。目前，rs-485 在国内有着非常广泛的应用，许多领域，比如工业控制、电力通讯、智能楼宇等都经常可以见到具有rs-485 接口电路的设备。但是，这些设备采用的用户层协议(术语参考自osi 的7 层结构)都不相同；这些设备之间并不可以直接连接通讯。比如，很多具有rs-485 接口电路的用户设备采用自己制定的简单通讯协议，或是直接取自modbus 协议(ascii/rtu 模式)中的一部分功能；在电力通讯领域，当前国家现在执行的行业标准中，颁布有按设备分类的各种通讯规约，如cdt、sc-1801、u4f、dnp3.0 规约和1995 年的iec60870-5-101 传输规约、1997 年的国际101 规约的国内版本dl/t634-1997规约；在电表应用中，国内大多数地区的厂商采用多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)。下面将分别对modbus 协议(rtu 模式)、多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)进行简单介绍。2.2.1 modbus 协议(rtu 模式)以下资料摘录于modbus 协议(rtu 模式)的一部分，介绍了modbus rtu 协议的基本构成、主要特点、参数规定；便于我们理解一个通讯协议的基本模式与要求18。关于详细的modbus 协议，用户可以从modbus-ida 协会 () 网站下载具体的内容。 1 查询响应周期modbus 协议遵循“查询响应”模式，如图 2.3 所示。查询：查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03 是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。响应：如果从设备产生一正常的响应，在响应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的响应。数据段包括了从设备收集的资料：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出响应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。设备地址功能代码数据错误检测主设备的查询消息设备地址功能代码数据 错误检测从设备回应消息图 2.3 modbus 协议的“查询响应”模式 2 rtu 模式rtu 模式的格式：地址功能代码数据数量数据1.数据n crc高字节crc低字节当控制器设为在modbus 网络上以rtu（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8bit 字节包含两个4bit 的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ascii 方式传送更多的数据。代码系统：8 位二进制，十六进制数0.9，a.f消息中的每个8 位域都是一个两个十六进制字符组成每个字节的位：1 个起始位8 个数据位，最小的有效位先发送1 个奇偶校验位，无校验则无1 个停止位（有校验时），2 个bit（无校验时）错误检测域：crc(循环冗长检测) 3 rtu 帧使用rtu 模式，消息发送至少要以3.5 个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的(如图 1-24 的t1-t2-t3-t4 所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0.9,a.f。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行译码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1.5 个字符时间的停顿，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3.5 个字符时间内开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的crc 域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下表2.3 所示：表2.3 rtu 消息帧起始位设备地址功能代码数据crc校验结束符t1-t2-t3 -t48bit8bitn 个8bit 16bit t1-t2-t3-t4 4 地址地址0 是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当modbus 协议用于更高水平的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。 5 响应当从设备响应时，它使用功能代码域来指示是正常响应(无误)还是有某种错误发生（称作异议响应）。对正常响应，从设备仅响应相应的功能代码。对异议响应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑1。例如：从一个主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码：0 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制03h）对正常响应，从设备仅响应同样的功能代码。对异议响应，它返回：1 0 0 0 0 0 1 1 （十六进制83h）除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到响应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。主设备应用程序得到异议响应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发自从设备的消息并报告给操作员。从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于进行执行由功能代码所定义的行为。这包括了象不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据字节数。例如，如果主设备需要从设备读取一组保持寄存器（功能代码03），数据域指定了起始寄存器以及要读的寄存器数量。如果主设备写一组从设备的寄存器（功能代码10 十六进制），数据域则指明了要写的起始寄存器以及要写的寄存器数量，数据域的数据字节数，要写入寄存器的数据。2.2.2 多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)国内江苏、浙江、上海地区的电表厂商采用多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)作为电表的远程控制通讯协议；这是一个在rs-485 网络中实现应用的行业标准19-20。1.通讯字节格式0d0d1d2d3d4d5d6d7p1起始位0 8位数据d0d7 偶校验位 停止位1 传送方向从低到高位，一个起始位、一个停止位、一个偶校验位、8 位数据位，总共11位。 2.通讯帧格式帧起始符（68h）地址域（a0a5）帧起始符（68h）命令码（c）数据长度（l）数据域（data）校验码（cs）结束符（16h）地址域 a0a5：当地址位999999999999h 时，为广播地址，同时当从控制器接收到一帧数据时，地址域相同时应响应命令，取得总线控制权，当响应命令之后，应把总线控制权归还给主控器。命令码：执行操作的依据。校验码：帧开始各个字节二进制算术和，不计溢出值。前导字节：在发送信息之前，发送1 个或多个字节feh，以唤醒接收方。数据域：发送时数据加33h，接收时数据减33h。2.3 rs-485 应用要点1 合理选用芯片合理地选择一个高效、合适的rs-485 收发器型号，可以有效减少电路设计、网络维护等后续阶段的工作量。2 终端匹配电阻为了匹配网络的通讯阻抗，减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效抑制噪声干扰，提高rs-485 通讯的可靠性，需要在rs-485 网络的2 个端点各安装1 个终端匹配电阻。终端匹配电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。例如，rs-485 网络通常采用双绞线或屏蔽双绞线作为传输介质，其特性阻抗为120，因此，rs-485 总线上的两个端点也应各安装1 个120的终端匹配电阻。2.4 本章小结 本章围绕rs485标准、通信规约、应用要点几个方面，详细介绍rs485协议规范。其中rs485标准介绍了从rs232到rs485的演变由来及它们的区别，通信规约部分则介绍了多功能电能表通讯规约(dl/t645-1997)和modbus 协议(rtu 模式)，应用要点则是从芯片选择和终端电阻匹配两方面进行介绍的。接下来的系统软件设计和硬件设计都是基于rs485通信协议设计的。3 基于rs485通信远程采集与控制器的硬件设计本章介绍了主从机硬件电路部分的设计，主要从单片机应用电路、电源稳压电路、ad采集电路、da电路、rs485接口电路、继电器控制电路几个部分的硬件设计进行介绍。3.1 硬件系统总体设计系统硬件电路主要由单片机应用电路、电源稳压电路、ad采集电路、da电路、rs485接口电路、继电器控制电路组成。其中单片机应用电路为整个系统的核心，整个系统的控制由单片机进行处理。在该系统中，单片机是整个系统的核心，整个系统运行的控制由单片机进行处理。它即协调整机工作，又是数据处理器，是软硬件系统连接的桥梁。将编译好的程序通过下载接口烧录到单片机后，而单片机连接外部各个器件，统一处理接收到的数据和传送指令到各个器件以便执行相关程序。继电器控制电路作为开关与rs485接口电路配合负责主机对从机的控制。ad电路负责3路节点信号的采集工作，da电路负责2路模拟控制量的反馈工作。图3.1为硬件设计系统框图。单片机应用电路电源稳 压电路rs485接口电路2组继电器控制电路2组da反馈电路3组ad采集电路图3.1硬件设计系统框图3.2 单片机应用电路 本系统的设计是以stc12c5410ad单片机为核心部件,stc12c5410系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1t）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成max810专用复位电路。其主要性能特点如下：1增强型1t流水线/精简指令集结构8051cpu。2工作电压：5.5v3.4v（5v单片机）/3.8v2.0v（3v单片机）。3工作频率范围：035mhz，相当于普通8051的0420mhz。4用户应用程序空间12k/10k/8k/6k/4k/2k字节。5片上集成512字节ram。6通过i/o口（27/23个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统i/o口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。7isp（在系统可编程）/asp（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8eprom功能。9看门狗。10内部集成max810专用复位电路（外部晶振20m以下时，可省外部复位电路）。11时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c振荡器还