基于RS-485总线的数据通信与远程控制

本文由zglak贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告 1、 设 计 目 的 及 意 义 （ 含 国 内 外 的 研 究 现 状 分 析 ） 设计的目的： 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 。计 算 机 技 术 已 成 为 当 代 数 据 采 集 和 自 动 控 制 的 核 心 技 术 。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 。在 这 样 的 系 统 中 通 常 采 用 多 个 单 片 机 独 立 构 成 子 系 统 作 为 前 端 测 控 核 心 ，即 主 要 负 责 数 据 采 集 及 控 制 执 行 等 ，而 整 个 系 统 的 协 调 与 分 工 则 是 由 计 算 机 来 完 成 的 。其 中 单 片 机 优 越 的 性 价 比 和 灵 活 的 功 能 配 置 而 被 广 泛 应 用 于 控 制 领域。因此，结合两者组成了数据采集与控制的网络系统。 串 行 通 信 是 计 算 机 与 外 部 设 备 进 行 数 据 交 换 的 重 要 渠 道 ，并 且 由 于 其 成 本 低 、性 能 稳 定 、遵 循 统 一 的 标 准 ，因 而 在 工 程 中 被 广 泛 应 用 。目 前 ，有 多 种 接 口 标 准 可 用 于 串 行 通 信 ，包 括 RS-232、RS-422、RS-423 和 RS-485。RS-232 是 最 早 的 串 行 接 口 标 准 ，在 短 距 离 、 较 低 波 特 率 串 行 通 信 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 其 后 发 展 起 来 的 RS-422、 RS-485 是 平 衡 传 送 的 电 气 标 准 ，采 用 差 动 的 两 线 发 送 、两 线 接 收 的 双 向 数 据 总 线 两 线 制 方 式 ，比 起 RS-232 非 平 衡 的 传 送 方 式 在 电 气 指 标 上 有 了 大 幅 度 的 提 高 。在 上 述 的 网 络 系 统 中 ，近 距 离 通 信 可 以 采 用 RS-232 通 信 标 准 实 现 ， 通 信 距 离 视 负 载 而 定 ， 但 最 多 不 超 过 十 几 米 ， 为 了 进 一 步 扩 大 通 信 距 离 可 以 采 用 RS-485 标 准 通 信 ，其 通 信 有 效 距 离 可 达 1200 米 。如 加 中 继 器 可 更 大 幅 度 地 增 大 有 效 通 信 距 离 。 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网络系统。 设计的意义（理论或实际） ： 通 过 应 用 数 据 采 集 与 控 制 的 网 络 系 统 技 术 ，可 以 稳 定 和 优 化 生 产 工 艺 、提 高 产 品 质 景 ，降 低 能 源 和 原 材 料 消 耗 ，降 低 生 产 成 本 。更 为 重 要 的 是 通 过 应 用 数 据 采 集 与 控 制 的 网 络 系 统 技 术 还 可 以 降 低 劳 动 者 的 生 产 强 度 ，并 且 提 高 管 理 水 平 ，从 而 带 来 极 大 的 社 会 效 益 。正 因 为 如 此 ，数 据 采 集 与 控 制 的 网 络 系 统 技 术 得 到 了 迅 速 的 发 展 ，并 广 泛 地 应 用 于 工 业 、农 业 、交 通 、环 保 、军 事 、楼 宇 、医 疗 等 领 域 。相 信 在 不 久 的 将 来 还 会 进 入 家 庭，成为一种与每个人密切相关的技术。 2、 设 计 任 务 、 重 点 研 究 内 容 、 技 术 方 案 及 进 度 安 排 设计的任务： 为 实 现 基 于 RS-485 总 线 的 数 据 通 信 与 远 程 控 制 ， 首 先 得 设 计 好 RS-485 的 通 信 模 块；由于是实现计算机与单片机之间的数据通信，两者的接口标准不一样，所以需要 设 计 好 计 算 机 与 单 片 机 接 口 转 换 的 电 路 ， 即 设 计 RS-232/RS-485 转 换 器 ； 接 着 ， 设 计 出各从机进行数据采集与控制的模块，这样在没有控制或者给定控制量时，从机都按 自己的任务进行相关数据采集或者控制。在硬件都设计好后，调试通过，这时要跟据 整个系统编制出一定的通信协议，选择最优方案，实现计算机与单片机数据通信。这 些 在 程 序 设 计 中 实 现 ， 计 算 机 主 机 程 序 主 要 通 过 学 习 VC.NET 语 言 而 编 制 ， 单 片 机 从 机 程 序 主 要 由 C 语 言 编 制 。计 算 机 与 单 片 机 在 实 现 数 据 通 信 后 ，按 照 拟 定 的 通 信 协 议 ， 提 取 有 用 数 据 信 息 ，从 而 按 照 这 个 信 息 ，进 行 相 关 操 作 ，以 达 到 基 于 RS-485 总 线 上 的 数据通信与远程控制的目的。 设计需要重点解决的问题： 如何实现单片机与计算机之间的数据通信，是整个系统能否结合成为一体工作的 关 键 。 本 设 计 利 用 VC.NET 语 言 编 制 了 自 定 义 协 议 下 主 机 的 控 制 程 序 ， 用 C 语 言 编 制 了 这 种 协 议 下 的 从 机 通 信 与 控 制 程 序 ， 硬 件 上 ， 计 算 机 通 过 其 RS-232 接 口 与 标 准 的 RS-232/RS-485 转 换 器 后 ，经 RS-485 总 线 与 单 片 机 从 机 连 接 ，成 功 的 实 现 了 这 一 关 键 ， 达到了数据通信与远程控制的目的。 设计的进度安排是： 第 1 周 毕业实习，明确课题要求，结合课题调研，收集资料。 第 2 周 毕业实习，结合课题调研，收集资料。 第 3 周 RS-485 通 信 接 口 的 学 习 。 第 4 周 确定初步技术方案，提交开题报告，开题报告审查。 第 5 周 学 习 RS-485 总 线 技 术 。 第 6 周 学 习 VC.NET 编 程 软 件 。 第 7 周 编 程 软 件 学 习 （ STEP2） 。 第 8 周 英文翻译。 第 9 周 编 程 软 件 学 习 （ STEP3） 。 第 10 周 通 信 控 制 系 统 主 电 路 设 计 。 第 11 周 从 机 系 统 硬 件 设 计 。 第 12 周 主 机 系 统 程 序 设 计 。 第 13 周 从 机 系 统 程 序 设 计 。 第 14 周 整 个 系 统 调 试 。 第 15 周 撰 写 论 文 。 第 16 周 交 初 稿 ， 修 改 论 文 。 第 17 周 正 式 交 论 文 及 答 辩 准 备 。 第 18 周 答 辩 。 报告人签字： 年 月 日 3、 指 导 教 师 意 见 结论： 导教师签名： 年 注： 1 开 题 报 告 应 根 据 教 师 下 发 的 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书 ， 在 教 师 的 指 导 下 由 学 生 独 立 撰 写，在毕业设计开始后两周内完成。 2 “设 计 的 目 的 及 意 义 ”至 少 800 字 ， “设 计 任 务 、 重 点 研 究 内 容 及 进 度 计 划 ”至 少 600 字 。 3 指 导 教 师 意 见 ： 应 从 选 题 的 理 论 或 实 际 价 值 出 发 ， 阐 述 学 生 利 用 的 知 识 、 原 理 、 建 立 的 模 型 正 确 与 否 ？ 学 生 的 论 证 充 分 否 ？ 通 过 学 生 的 努 力 ，能 否 完 成 课 题 ，达 到 预 期 的 目 标 ？ 课 题及报告的难度、深度、综合性、创造性等是否达到本科生应该具有的要求。 4 结 论 ： 是 否 同 意 进 入 设 计 （ 论 文 ） 阶 段 。 月 日 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 目录 中 文 摘 要 Abstract 绪 论 1 1. 系 统 组成结构 2 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 RS-232/RS-485 转换器 2 RS-485 总线 3 单片 机从机 3 系统 通信 设置 4 计算机 主机用 户界 面 4 2. 系 统 硬件 设计 6 2.1 RS-485 通信 原理 与设计 6 2.1.1 总线 匹配问题 6 2.1.2 引出线问题 7 2.1.3 地线与接地问题 7 2.1.4 总线 负载能力与通讯电缆长度之间的关系 8 2.1.5 RS-485 常规接线电路 9 2.1.6 RS-485 零延 时接线 电路 9 2.2 2.3 RS-232/RS-485 转换器 11 温度采集与 显示 从机设 计 12 2.3.1 温度采集与 显示 从机的单片机最小系统 12 2.3.2 温度采集与 显示 从机的数据 显示电路 12 2.3.3 温度采集与 显示 从机的温度采集电路 13 2.3.4 温度采集与 显示 从机的 RS-485 通信电路 13 2.4 多路开关控制 从机设计 14 2.4.1 多路开关控制 从机的单片机最小系统 14 2.4.2 多路开关控制 从机的开关控制电路 14 3. 系 统 程序设计 16 3.1 计算机与 单片 机通信程 序设计 16 3.1.1 通信协 议的编制原则 16 3.1.2 本系统 通信协 议编制 17 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 计算机 主机界面程序设计 21 计算机 主机串口 API 编程步骤 23 温度采集与 显示 从机程 序设计 24 多路开关控制 从机程序设计 24 数据 校验 25 3.6.1 奇偶校验 25 3.6.2 求和校验 25 3.6.3 循环冗余码校验 25 4. 系 统 调试 27 4.1 4.2 4.3 硬件 调试 27 通信调 试 27 远程 控制 调试 29 结 束 语 30 致 谢 31 参 考 文 献 32 附 录 33 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 摘 要 本 文 主要 在 RS-485 总线 和测 控系统 原理基 础上介绍了基于 RS-485 总线的 数 据 通 信 与 远 程 控 制 系 统 ， 整 个 系 统 包 括 一 台 计 算 机 主 机 和 多 台 AT89S51 、 AT89C2051 单片 机 从机。 主 机主要处 理 数据并分 配从机工 作 任务，从 机按其 功能 分 为 测 量 采集数据 从机和控制 多路开关从机。 主机经过 RS-232/RS-485 转换器 与从 机进行数据通信，将从机附近的信息传到主机，经过主机综合处理各从机数据， 从而控制从机进行相关操作控制多路开关，达到远程控制的目的。而如何实现单 片 机 与 计 算机之间 的通信是整 个系统 结合成为一 体工作的关键。 关 键 词：RS-485；数据 通信 ；远程控制 I 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） Abstract On the base of RS-485 bus and monitoring system principles, this paper introduces the data communications based on RS-485 bus and Remote control system. The entire system includes one computer master and several AT89S51、AT89C2051 Single Chip Machines as the guests. Master processes of data and assigns tasks to the guest. Guest includes measurement collection data guest and multipart control switch guest in terms of its function. Master communicates with guest by RS-232/RS-485 converters. It transfers the information near the guest to the master. And then during the master integrated treatments the data from the guests, it controls multipart control switches, at last it makes the remote controlling come true. How to make the communication between the Single Chip Machines and computer master come true is the key of the whole system. Keywords: RS-485；digitial communication；Remote control II 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 绪 论 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。计算机技术已 成为当代数据采集和自动控制的核心技术。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 。 在 这 样 的 系 统 中 通 常采 用多个单片机独立构成子系统作为前端测控核心，即主要负责数据采集及控制执 行等，而整个系统的协调与分工则是由计算机来完成的。其中单片机优越的性价 比和灵活的功能配置而被广泛应用于控制领域。因此，结合两者组成了数据采集 与 控 制 的网络系统。 通过应用数据采集与控制的网络系统技术，可以稳定和优化生产工艺、提高 产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本。更为重要的是通过应用数据 采 集 与 控 制 的 网 络 系 统 技 术 还 可 以 降 低 劳 动 者 的 生 产 强 度 ， 并 且 提 高 管 理 水 平， 从而带来极大的社会效益。正因为如此，数据采集与控制的网络系统技术得到了 迅速的发展，并广泛地应用于工业、农业、交通、环保、军事、楼宇、医疗等领 域 。 相 信 在不 久的将来还会 进入家庭 ，成为一 种与每个人密切相关 的技术。 串 行 通信是 计算机与外 部设备进行数据交换的重要渠道 ，并且由于其 成本低、 性能稳定、遵循统一的标准，因而在工程中被广泛应用。目前，有多种接口标准 可 用 于 串 行通信 ，包括 RS-232、RS-422、RS-423 和 RS-485。RS-232 是最早 的串 行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来 的 RS-422、RS-485 是平衡 传送的电气标准，采用差动的两线发送、两线接收 的 双 向 数 据总 线两线制方 式，比起 RS-232 非平衡 的传送方式在电气指标上有了大幅度 的 提 高。在上述 的网络 系统 中，近距离通信可 以采用 RS-232 通信标准 实现，通 信 距 离 视 负 载而定， 但最多 不超过十几米 ， 为了进一步 扩大通信距离可 以采用 RS-485 标 准 通 信，其通信有 效距离可 达 1200 米。如需更远距离 只需加中继器即可。本文 正 设 计 的 是基于 RS-485 总线上 的数据通信与远程控制的 网络系统。 那 么 ，如何实现单片 机与计算机之间的通信，是整个系统能 否结合成为一 体 工 作 的 关 键 。本系统 利用 VC.NET 语言编 制了自定义协议下主机的控制 程序，通过 计 算 机的 RS-232 接口 与标准的 RS-232/RS-485 转换器，成 功的实现了这一关 键 ， 达 到 了 数 据通信 与远程 控制的目的。 1 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 1. 系统组成结构 本 系 统 主要由 一台计算机 主机，多台 AT89S51、AT89C2051 单片机从机，以 及 RS-232/RS-485 转换器构成。 如图 1-1 所示为系统 原理图， 主机经过 RS-232/RS-485 转 换 器 后 与从机由 RS-485 总线 连 接以进行数据通信与远程控制。 图 1-1 系 统 原 理 图 1.1 RS-232/RS-485 转换器 由 于 计算机 上的 COM1、COM2 接口都是 RS-232C 接口，单片机是 TTL 电 平 ， 因 此 两 者之间通信 电平需要转换。 这是因 为 RS-232C 标准对电器特性、逻辑电平 和 各 种 信 号线功能都作了 规定。对 于数据， 逻辑“0”的电平高于-3V，逻辑“1” 的 电 平 低 于+3V；对于控制 信号，接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断 开 状 态 （ OFF） 即 信 号 无 效 的 电 平 低 于 -3V。 也 就 是 当 传 输 电 平 的 绝 对 值 大 于 3V 时 ，电 路可以有效地检查出 来，介于-3V+3V 之间的电压无意义，低于-15V 或高 于+15V 的电 压也认 为无意义，因此，实际工作时，应 保证电平在（315）V 之 间 。而单 片机工作 在 TTL 电平，即 逻辑“ 0”对应电平 0V，逻辑“1”对应电平+5V。 这 里 使用 MAX232C 芯片能很方便的解决该问 题 1 。 另外在比较复杂的控制和数据采集系统中，近距离的通信计算机可以通过 MAX232 电平 转换 后 可 直 接 与单 片机 通 信 ，但 是 这样 最多 不 超 过十 几 米 ， 因 此 在 远 距 离 通 信中采用 RS-485 标准 ，即采用 RS-232/RS-485 转换器，可以大大提 高通 信 距 离。 这是由 RS-485 总线 的特性所实现的。 2 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 1.2 RS-485 总线 RS-485 总线 是工 业领域 广泛应用的 LSO/OSI 模型物理层标准协 议之一， 采用 平 衡 式 发 送 、 差 分 式 接 收 的 数 据 收 发 器 来 驱 动 总 线 。 具 体 规 格 要 求 如 下 ： 1） 机 （ 械 特 性。 采用 RS-232/RS-485 连接器将计算机 串口 RS-232 信号转换成 RS-485 信 号 ， 接 入 TTL/RS-485 转换器将 I/O 接口芯片 TTL 电平信号转 换成 RS-485 信 号 ， 或 进 行 远 距 离高速双向串行通信 。 （2）电 气特性。信号负逻辑，+2+6V 表示“ 0” ， -6-2V 表示“1” ，二线双 端半双工差分电平发送与接收，无公共 地线，能有效 克 服 共 模 干 扰、 抑制线路噪声 ， 输距离 1.2km， 传 最高数据传输速率可达 10Mb/s。 （3） 功能与规程特性。网络媒体采用双绞线、同轴电缆或光纤；每条总线上的节点数 可 达 128 个，如果节 点数大 于 128，须加中继器（ 每个中继器可延长线路 1.2km） 。 RS-485 总 线的数据 链路协议， 除有 的采用 符合 ISO 高级数据链路控制 协议 （HDLC） 的 数 据链 路处理器件或 专有接口 器件执行外，多数是参照 HDLC 或其他一些 标准 自 行 定义 而成。而开发 RS-485 总线数据链路协议较好的方案一般以字节式异步通 信为基础。 1.3 单片机从机 由 于 本文主要是 基于 RS-485 的数据 通信与远程控制， 那么实现单片机与 计 算 机之间的通信是整个系统结合成为一体工作的关键，所以计算机与单片机只需传 输有用的数据即可。该数据在事先约定好一定的格式，即达成一定的协议后，进 行 通 信， 以达到数据 各自代表的意义。 因此单片 机从机做了以下几种工作 任务 ： 第 一 种：温度采集与 显示 工作任务。该从机主要由 AT89C2051 单片机最 小系 统、共 阳 极数码管显示 模块、MAX485 通信模块、DS1820 数字式温度传感器构 成 ， 以完成温度采集与显示的任务，并及时将当前温度值存入发送数据块中。主机发 出 读 取 该 从 机 当 前 温 度 命 令 时 ， 该 从 机 立 即 做 出 响 应 并 将 当 前 存 入 的 温 度 数 据块 发 送 给 主 机。 第 二 种：开关状态控制的 工作任务。该从机主要由 AT89S51 单片机最小系 统 、 8 个 发 光 二 极管 模块、 MAX485 通信模块构成， 以完成控制发 光二极管导通的任 务。 主机发出控制该从机开关状态命令后，该从机立即做出响应并接收发送来的开关 状 态 数 据 ，及时控制发 光二极管 导通状态。 另 外 其它多种工作 任务 可以根 据需求而设置，在此就不再述说。 3 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 1.4 系统通信设置 在 本 系 统中， 计算机 主机选用了 COM1 串行进行数据通信， 波特率 为 4800bps， 校 验 位 为 MARK，数据位为 8，停止位 为 1。这里除串口可 以不受限制的任何选 择， 即 只 要 计 算机 上有空余的 COM 串口都可选择外，其余并不是随便选择的，这 是由 于 单 片机 从机的 晶振 都选择 了 12MHz，为了减少误码率，慎重选择了 4800bps 的 波 特 率。 根据单片 机计算 初值 的计算公式（1-1） ： fosc (2 s mod ) X = 256 384 波特率 （1-1） 当 波 特率 为 4800bps 时， X = 256 12000000 (21 ) = 256 13.02 243 = 0 xF 3 384 4800 ，小 数 值 最 小 ，误码率相对较小。这样单片 机从机计算 值为 0xF3。 在 多 机通信中 ，单片 机的 通信，一般为 11 位为一帧的异步通信方式，即一 个 起 始 位 、9 个数据 位和 1 个停止位，而 9 个数据 位中前 8 个数据为一字 节数据 ，第 9 个 数 据为地址校验码 。这种工作 方式中，当 SM2=1 时，只有当接收到的第 9 位 数 据 （RB8）为 “1” ，才将接收到 的前 8 位数据送入 SBUF，并置位 RI 产生 中 断 请 求 ；否 则，将接收到的 前 8 位数据丢弃。而当 SM2=0 时，则不论第 9 位数据为 “0” 还 是 为“1” ，都将前 8 位数据装入 SBUF 中，并产生中断请求。这样所有 单 片 机 从 机 平时待机时 SM2 都置“1” ，即只有当接收到了数据第 9 位为“1”时，才 将 接 收 到 的前 8 位数据 送入 SBUF，并置位 RI 产生中断请求。计算机 主机首 先发 送 要 通 信 的从机地 址，并置 第 9 位数据为 “1” ，所有从机都将接收到数据，并进 入中断程序以检验所接收到的数据地址是否与本机地址相同，如果相同，则立即 置 SM2 为“0” ，并发送本机地 址以做回应。这样，其它从机接收到第 9 位数据为 “0” 都 将前 8 位数据 丢弃 ，不 予理睬。而主机接收到该从机地下数据回应 后， ， 也 将 第 9 位置“0” ，进 入数据 通 信阶段。 这样确保了线路中只有计算机 主机 与所 叫 从 机 进 行数据 通信 ，而 其它从机都不会收发数据而 扰乱其通信 。 计 算 机 主 机 的 第 9 位 数 据 设 置 可 以 通 过 API 串 口 编 程 中 的 结 构 DCB 中 的 PARITY 设置来得到， PARITY 为 MARK 时， 9 位数据始终输出 当 第 “1” 当 PARITY ， 为 SPACE 时，第 9 位数据 始终输出“0” 。 1.5 计算机主机用户界面 计 算 机主机用 户界 面，主要 为用户提供了简单、方便的控制 界面。用 户不需 要 关 心 主 机 与从机之间 的底层通信 数据，只需要选择相关功能，即可进行远程 控 制 。 4 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 该 计 算 机主机用 户界 面，由 VC.NET 语言开 发编制，Visual Studio.NET 是 一 套 完 整 的 可 视化软件开 发工具，可以 用来开发桌面的和 基于团队的企业级 Web 应用 程 序 。Visual Studio.NET 继承了老 版本 Visual Studio 的优良特性，并在此基础 上更 前 进 了 步 ， 增 加 了 许 多 新 的 特 性 ， 更 加 方 便 了 软 件 开 发 人 员 的 使 用 。 举 一 个 简 单的例子：过去要在菜单上增加一个小图标，实现的方法还是比较复杂的。而在 Visual Studio.NET 的 MFC7.0 的 CMenu 类就为此功能提供了一个成 员函数。 除了 生 成 高 性 能的 桌面应用 程序之 外还可以使用 Visual Studio.NET 基于组件的强 大开 发工具和其他技术，设计、开发和部署企业级的解决方案，以实现分布式计算系 统 的 软 件 开发。另外，Visual Studio.NET 还提供了对团队开发的强有力支持，可 以 协 助 软 件 开发人员对解决 方案、项 目和文件进行管理。Visual Studio.NET 中提供 的 核 心 语 言 有：Visual Basic.NET、Visual C+.NET、Visual C#.NET 2 。 Visual C+.NET 是 Visual C+ 6.0 的新版本。Visual C+.NET 对老版本进行了 改 进 ，并 增加 了许多新的 特性 。与 Visual C+ 6.0 相比，Visual C+.NET 的变化 是 非 常 大 的 ：Visual C+.NET 集成开发环境（IDE）改变了很多，对 C+语言 进 行 了 扩 展 ， 提供 了属 性 化编 程， 编译 器、 链 接器 和标 准 C+库 的更 新， 应用 程序 的 发 布 ， 对 一些库进行了 更新和升 级。最后选定 Visual C+.NET 作为计算机 主 机程 序 开 发 语 言。 5 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 2. 系统硬件设计 2.1 RS-485 通信原理与设计 在 设 计 RS-485 模块的接线电 路时，从设备选择上看，实现 RS-485 总线通讯 相 当简单，但是对于它在实际应用中的一些具体问题没有深入广泛的认识和积极有 效的处理措施，会影响到整个系统的性能。下面就几个实际应用中常被忽视的问 题 进 行 相 关说明。 2.1.1 总线匹配问题 首 先是总线 匹配问题。 是否对 RS-485 总线进行终端匹配取决于数据传 输速 率、 电缆长度及信号转换速率。当考虑终端匹配时，有多种方案可以选择。在长线信 号传输时，一般为了避免信号的反射和回波，需要在接收端接入终端匹配电阻， 如 图 2-1（a） 所示 。其终 端匹 配电 阻值 取决于 电缆 的阻 抗特 性，与 电 缆 的长 度 无 关 。RS-485/RS-422 一般采用 双绞 线（屏蔽或非屏蔽）连接，终端电阻一般在 100 140 之 间，典型值 为 120。在 实际配置时，在电 缆的两个终端节点上，即最 近 端 和最远端，各接入一个终端电阻，而处于中间部分的节点则不能接入终端电阻， 否则将导致通讯出错。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗 较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方 式 是 RC 匹配，如图 2-1（b） 。利用一只电容 C 隔断直流成分可以节省大部分功 率。 但 电 容 C 的取值 是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。除上述两种外， 还 有 一 种 采用 二极管 的匹配方案，如图 2-1 （c） 这种方案虽未实现真正的“匹配 ” 。 ， 但它利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能 效 果 显 著 3 。 图 2-1 几种终端匹配方案 信 号 反射 对数据传 输的影响， 归根结底是因为反射信号触发了接收器输入 端的 6 武 汉 理 工 大学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 比 较器 ， 使接收器收到了错误的信号，导致 CRC 校验错误或整个数据 帧错误。 在 信 号 分 析 中，衡量反射 信号强度 的 参数是 RAF（Refection Attenuation Factor 反 射 衰 减 因 子 ） 它的计算 公式如式 （2-1） 。 ： RAF = 20lg（Vref / Vinc） （2-1） 式 中 ：Vref 反射 信号的电 压大小；Vinc 在电缆与收发器或终端电阻 连 接 点 的 入 射 信号的电 压大小。具体测量方 法如图 2-2 所示。例如，由实验测得 6MHz 的 入 射 信 号 正 弦 波 的 峰 -峰 值 为 +5V， 反 射 信 号 的 峰 -峰 值 为 +0.496V， 则 该 通 讯 电 缆 在 6MHz 的通讯速率时，它的反射衰 减因子为式（2-2） ： RAF = 20lg（ 0.496 / 6 ）= - 21.63 dB （2-2） 图 2-2 测量反射信号的大小 要 减 弱反射 信号对 通讯线路的 影响，通常采用噪声抑 制和加匹配电阻的方 法。 在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加匹配电阻的方 法。 2.1.2 引出线问题 其 次 是引出线 问题。 RS-485 总线上 的每 个收发器通过 一段引 出线接入总线 ， 引出线过长时，由于信号在引出线中的反射，也会影响总线上的信号质量。和前 面 的 讨 论 一样，系统 所能允许的引出线长度也和信号的转换时间、数据速 率有 关。 下 面 的经 验公式可以用来 估算引出 线的最大长度为式（2-3） ： Lmax = （ tRISE 0.2 m / ns ）/ 10 （2-3） 对 应 于 150ns 的上升/下降时间，总线允许的最大引出线长度约为 3 m。 从 以 上的分析 可以看出，在 敷 设 RS-485 连接线时应考虑引出线长度的要求， 应 尽 量 减 小引 出线长度以 满足 相关要求。 2.1.3 地线与接地问题 第 三 是 地线与接地的 问题。尽管是差分传输，对于 RS-485 网络来讲，一 条低 阻的信号地还是必不可少的，这是因为一是共模干扰问题，收发器在共模电压超 7 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 出 一 定 范 围 （-7V 至 +12V）时就 会影 响通 信的可 靠性 ，直至 损 坏接口 。二 是 电 磁 辐 射（EMI）问题。驱动器 输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果没有一 个 低 阻 的 返回通道（信号地） ，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个 巨大的天线向外辐射电磁波。一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来， 使 共 模 干 扰电压被短 路。这条信号地可以是额外的一 对线（非屏蔽双绞线） 、或者 是屏蔽双绞线的屏蔽层。值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，当 共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信，此 时可以采取在接地线上加限流电阻限制干扰电流，或采用浮地技术、隔离接口等 措施。 2.1.4 总线负载能力与通讯电缆长度之间的关系 最 后 介绍 RS-485 总线 的负载能力和通讯电缆长度之间的关系。在设计 RS-485 总 线 组 成 的网络配置 （总线 长度和带负载个数） 时，应该考虑到 3 个参数： 纯 阻 性负 载、信号衰减和噪声 容限。从下面的公式能看出总线带 负载的多少 和 通 讯 电 缆 长度之间 的关系为 式（2-4） ： Vend = 0.8（ Vdriver - Vloss - Vnoise Vbias ） （2-4） 其 中 ：Vend 为总线 末端的信号电 压，在标准测定时规定为 0.2V；Vdriver 为驱 动 器 的 输 出 电 压（与 负载数有关，负载个数在 535 个之间，Vdriver = 2.4V；当 负 载 数 小 于 5 时，Vdriver = 2.5V；当负载数大于 35 时，Vdriver 2.3 V） ；Vloss 为 信 号 在 总 线 中的传 输过程的损耗（与通讯电缆的规格和长度有关） ，由标准 电缆 衰减 系 数 ，根 据公式衰减系数 b = 20lg （ Vout / Vin ）可以计算出 Vloss = Vin - Vout = 0.6 V（ 注 ：:通讯波特率 为 9.6 kbps，电缆长度 1km，如波特率 增加，Vloss 会 相应 增大） ；Vnoise 为噪声 容限，标准 测定时规定为 0.1 V；Vbias 是由偏置电阻提供 的 偏 置 电 压 其典型值 为 0.4V） （ 。上式中乘以 0.8 是为了使通信电缆不进入满载状态。 从 上 式可 以看出，Vdriver 的大 小和总线上带 负载数的多少成反比，Vloss 的大小 和 总线长度成反比，其它几个参数只和用的驱动器类型有关。因此，在选定了驱动 器 的 RS-485 总线上 ，在 通信波特率一定的情况下，负载数的多少与信号传输 的 最 大距离是直接相关的。具体关系是：在总线允许的范围内，带负载数越多，信号 能 传 输 的 距离 就越小；带负载数越 少，信号能传输的距离就越远。 RS-485 标准定 义了 一个 极为坚固 和可靠 的通信链路， 具有高 噪声抑 制、宽 共 模范围、长传输距离、冲突保护等特性，但只有在采取合理的布局和周全的保护 措 施 等 条 件 下 ， 才 能 建 立 一 个 真 正 可 靠 的 RS-485 网 络 。 因 此 这 就 为 本 系 统 的 RS-485 模 块 的设计及 总线 长度的 选定提供了坚实的理论基础。 8 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 2.1.5 RS-485 常规接线电路 如 图 2-3 所示为 RS-485 常规接线电路图。由于 RS-485 是半双工通信 方式，所 以任何时刻只允许线路处于接收信号状态，或者处于输出信号状态。平时在无数 据 传 输 的 情况 下，一 般将 RS-485 置于接 收信号状态下工作，这样一旦有数据 传输 过来，能及时收到。因此通常将接收信号使能端与输出信号使能端并接在一块， 由 单 片机 一个 I/O 口经反相器控制 其使能，以保证由于 RS-485 通信正常。另外在 从接收信号到输出信号，或者从输出信号到接收信号的转换过程中，存在一定的 延 时，即 RS-485 的信号接收状态从原来一种状态转换到另一种状态时，需要加入 一 定 的 延 时，否则信 号接发可能发 生错误。 1 JP1 JUMPER R4 120 U26 RXD VCC R26 10K TXD 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 D4 6 D6 8 7 6 5 VCC GND 2 U10C 74LS04 5 D5 GND D7 P1.0 图 2-3 RS-485 常 规 接 线 电 路 图 2.1.6 RS-485 零延时接线电路 上 述 电路在 信号切换时存在一定的延时，可以用如图 2-4 所示接线电路图 ，以 自 动 进行 收发转换过程。由于单片 机晶振一般在 24MHz 以下，因此这种接 线 方法 甚 至 达 到 零延 时的转换，从而也减 少程序的控制量。 那 么 在 一 个 简 单 的 RS-485 收 发 装 置 中 ， 可 以 采 用 低 功 率 RS-485 收 发 器 MAX485 加以 外围 电 路 即 可 完 成 。然 而 当 信号 在 一根 长电 缆 上 传输 或 具有 很高 的 传输速率时，电缆将会呈现传输线的特性。在这种情况下，必须按其特性阻抗进 行 终 端 匹 配。按照 RS-485 总线 的 电气特性，在 RS-485 串行接口 系统实现的过 程 中 ，假 如 接收器同向输入（A）电平比接收器反向输入（B）电平高出 200mV 或更 高 ， 则 RS-485 串行接口 的接收器输出为“1” ，反之 B 比 A 高出 200 mV 或更 高， 则 输 出 为“0” 。在一个 半双工的 RS-485 串行接口网络中 ，主机的收发器给从机 发 完 一 组 信 息后将总线 置为三态，没有任何信号驱动总线，使 A 和 B 之间的电平差 9 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 趋 于 0， 时接收器的 输出状态不 定。 此 假如总线上 有干扰， 使得接收器的输出为 “0” ， 从机则将把其解释为一个新的数据起始位并且试图读取后续的数据位。由于永远 不会有停止位，这便会产生一帧错误结果，也就不会再有设备请求总线，网络将 陷 于 瘫 痪 状态。 VCC 1 RXD TXD U5 R2 5.1k Q9 9014 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 R7 100 8 7 6 5 R6 1k R3 5.1k R4 300 R5 1k R20 120 2 JP1 JUMPER 图 2-4 RS-485 电 路 接 线 图 解 决 的方 法是在硬件 上将总线进行偏置，如图 2-4 所示为 RS-485 电路接线图 。 在 A 端 增 加上 拉电阻 R5，在 B 端增加下拉电阻 R7，AB 间并入一个电 阻 R6，(典 型值 R5=1k；R2=1k；R3=100)，这样当总线上 没有数据传 输时，AB 间电压 差 大 约为 238mV，即使总线上 没有数据传 输时，也很难 出现数据的 起始位“0” ， 这样也就增加总线的抗干扰能力。在软件上则是在通信协议的设计上加以注意， 一 般 在 RS-485 多机主从异步通信 中多采用数据 包通信 方式， 每包数据都有引导 码、 长度码、地址码、命令码、内容数据、检验码及结束码等部分组成。在协议中， 以引导码来区分数据的发送或接收，地址码用于区分各个从机，每个从机被分配 一个唯一的地址。主机向从机发送信息时，以命令字节来控制是否有数据码，同 时命令码还可能包括其他控制信息。一般仅用命令码来传递控制信息，这样整个 数 据 包 长 度为 4 个字 节。通讯过程中，从机处于从属地位，从机接到数据 包 时， 检查数据包中的地址码是否与本地址相符，不相符则抛弃该数据包，相符则继续 检查命令码。若命令码指示有数据，则接受数据码并发送应答；若命令码为状态 查询，则发送仅包含状态码的应答数据包；若命令码为数据查询，则发送仅含数 据码的应答数据包；若命令码为广播的控制信号，则根据控制信号运行而不做应 答 。 另 外 在实际 RS-485 通信 试验 中，通过监测总线得知在 RS-485 收发装置接 收 和 发 送 功 换时会有数据 0 出现，因此在主机数据 包中的命令应避免数据 0 的出 现 。 10 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 2.2 RS-232/RS-485 转换器 如何实现单片机与计算机之间的通信是整个系统能否结合成为一体工作的关 键 。那 么在硬件 上，RS-232/RS-485 转换器就正是整个系统 结合成为一 体工作的硬 件 基 础 。 如图 2-5 所示为 RS-232/RS-485 转换器接线电路图。 VCC C14 1u C12 1u C16 1 6 2 7 3 8 4 9 5 PCCOM 1u 1 2 3 4 5 6 7 8 C15 1u U7 C1+ V+ C1C2+ C2VT2out R2in MAX232 Vcc GND T1out R1in R1out T1in T2in R2out 16 15 14 13 12 11 10 9 C13 1u R21 120 U25 RXD TXD D3 LED VCC 1 R3 5.1k R4 300 R5 1k U5 R2 5.1k Q9 9014 1 2 3 4 RO VCC RE B DE A DI GND MAX487 R7 100 8 7 6 5 R6 1k R20 120 2 JP1 JUMPER 图 2-5 RS-232/RS-485 转 换 器 接 线 电 路 图 该 电 路的 RS-232C 电平转换电路采用 了 MAX232 集成电路，RS-485 电路采用 了 前 面 选 定的 MAX485 集成电路 模 块。计算机的 COM 口，第 2 脚为信号接收 ， 第 3 脚 为 信号输 出，第 5 脚为地线，图中只要将这 3 条线连接即可 正常工作了 。 RS-232C 标 准规定：当误码率小于 4%时，要求导线的电容值应小于 2500pF。对 于 普 通 导 线 ，其电容值约为 170pF/M。则允许距离 L=2500pF/（1700pF/M）=15M。 这 一 距 离 的计算，是偏于保守的，不过在实际应用中，当使用 9600bps，普通双 绞 屏 蔽 线 时 ，距离 也只 可以达 到 30 米35 米 4 。所以要求 1000 米的远距离通信 时 ， 只用 RS-232C 通信是 无法达到的 ，因此在 RS-232C 后加入 RS-485 标准，形成了 11 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） RS-232C/RS-485 转换器， 可以实现远程通信了 。 为 确 保线 路连接正确，特在 RS-232C 的 TTL 电平的信号接收端接入一个发光 二极管，不仅能检测线路连通的情况，而且在数据通信过程中，随着数据的传输 出 而 闪 烁 ，起到了美观 的作用。 2.3 温度采集与显示从机设计 在 温 度 采 集 与 显 示 的 从 机 模 块 中 ， 用 到 了 DS1820 数 字 式 温 度 传 感 器 。 而 DS1820 数 字式温度传感器只有三个引脚，第一引脚为电源+5V 输入，第三引脚为 地线，只有中间第二引脚为数据传输线。因为只有一根数据线，数据的传输需要 严 格 按 照 规定传输，因此 在程序设 计中与 DS1820 通信的程序块必需按照 DS1820 数 据 通 信 协议编 辑 5 。 2.3.1 温度采集与显示从机的单片机最小系统 由 于 只做温度采集与 显示 以及 通信的任务，该从机 I/O 口的使用数量 很少，因 此 处 理 器 选择 了 I/O 数量 较少， 而体积相对更小的 AT89C2051 单片机。如图 2-6 所 示 为 AT89C2051 单片 机最小系统图。单片机晶振选用了 12MHz。 +5 C3 S1 R1 1K P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 RXD TXD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 22uF VCC U1 RST RXD TXD X1 X2 INT0 INT1 T0 T1 GND 89C2051 C2 33pF VCC P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P3.7 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 C1 33pF Y1 12MHz 图 2-6 AT89C2051 单 片 机 最 小 系 统 图 2.3.2 温度采集与显示从机的数据显示电路 DS1820 的温度采集 范围 为-40C125C， 因此，在显示温 度时，只需 4 位 LED 就可以显示包括一位小数在内的完整数据了。即前三位显示在温度为正时，直接 显示整数值，第四位为显示小数值；而当温度为负时，第一位只显示负号，中间 两 位 显 示 负温度的整数部分， 最后 一位不变，仍为显示小 数值。 12 武 汉 理 工 大 学 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 由 于 AT89C2051 的 I/O 口只有 P1 口和 P3 口，因此显示电路部分，用 P1 口 作 为 段 选 码 ，P3.2P3.5 分别作为 4 位 LED 的位选码。如图 2-7 所示为数据 显 示电 路 图 ， LED 为共阳极数据 管。 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 510 510 510 510 510 510 510 510 1 2 3 4 5 6 7 8 DS4 DPY a a b c f b g d e e c d f dp g dp 1 2 3 4 5 6 7 8 DS3 DPY a a b c f b g d e e c d f dp g dp 1 2 3 4 5 6 7 8 DS2 DPY a a b c f b g d e e c d f dp g dp 1 2 3 4 5 6 7 8 DS1 DPY a a b c f b g d e e c d f dp g dp Q1 9013 R16 5.1K R17 5.1K Q2 9013 R18 5.1K Q3 9013 R19 5.1K Q4 9013 VCC P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 图 2-7 数据显示电路图 2.3.3 温度采集与显示从机的温度采集电路 如 图 2-8 所示为 DS18