1、基于 RS485 总线的多点温度测控系统设计【摘要】具有设备简单，成本较低，能实现长距离的通信等特点的分布式数据收集与控制系统是基于 RS485 总线构成的。本文对 RS585 总线进行了相关的简要理论基础介绍，并且分析了 RS485 总线的各个特点，对其中在运行时经常可能出现的问题进行了分析和解释，并且结合了一种实用的分布式数据采集和控制系统。对其中出现的干扰和通信效率低等方面进行了实际应用系统的具体分析，提出解决方案。 【关键词】RS 总线 多点温度测控 系统设计 可靠性 在与日俱进的社会发展上，技术和生产的水平越来越高，数字信息化的模式越来越深的灌输到各类方面。使用具备设备简单，价格低廉
2、，能实现长距离信息传输的 RS484 收发器系统能有效的将分布广泛的数据进行采集和分析控制，利用其多点测控的特点及其优势对温度进行检测和控制，能有效的对环境和生产带来益处，对其有着不可忽视的作用。 一、RS485 总线 RS-485 采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，并且具备抑制共模干扰的能力，其总线收发器具有很高的灵敏度。市场上一般 RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。其联网构成的分布式系统能很大程度的提高连接驱动器和接收器的容量，提高工作效率。 二、RS485 系统设计的要求 在针对基于
3、RS485 总线的多点温度测控系统的设计中，主要要根据该系统的应用环境和具体内容，对系统的设计进行四点的要求。主要有要体积小，因为此系统有别于其他普通的温度测量系统，并且该系统主要用于设置在生产车间厂区内，对厂区的温度进行测量，所以要对其体积进行尽量小的设计，减少占地面积，给生产设备和厂区规划提供更多的应用空间，而且对其体积进行缩小有利于系统的安装和修理，并且为以后的更新换代打下基础。其次，要在设计中实现对远距离信息的实时传输，这有利于在面积大，范围广的厂区中，能远距离的进行远距离通讯，而且对系统数据的传输线路进行必要的简化，提供可靠的实时数据传输。另外，系统的可靠性要符合明确的要求，保证在生
4、产的环境中减少温度测量的误差，提供有效的测量数据，加强其持久性和耐用性与准确性。最后一点就是要设计低成本的系统，在满足生产需求的情况下，尽量减少对其安装设置生产的成本，如此才具有更高的效益比。 三、系统方案的确定 在基于 RS485 总线的多点温度测控系统的设计方案中，要明确其整个系统的组成和模块的功能，主要将系统分为温度测量模块和温度接受模块。而这两个模组间的联系和通讯与信息交互就是由 RS485 总线进行传输的。明确温度测量模块与传输模块分别的作用，前者为负责数据的采集，后者为负责数据的传输与处理 四、RS485 的理论简述 对于 RS485 总线多点温度测控系统中的 RS485，其就是一
5、个电器接口规范，是一个七层开放系统互连模型物理层的协议标准。他不仅支持半双工模式还支持全双工模式，对它的网络拓扑也通常采用的是终端匹配的总线型结构。而对于环型或星型网络，它是不支持的。RS485 采用的是平衡传输方式，它可以采用二线或四线的方式进行多点双向通信和点对多点的通信。在实现通信的方面上，它一般采用平衡发送和差分接收的方式，所以它具有很强的抗共模干扰能力，并且具备了很高的接收灵敏度，这使得它能检测到 200mv 的电压，同时它的最大传输距离与最大传输速率也大大的增强。 五、RS485 的网络配置 在 RS485 系统的网络配置上，最为典型的就是具为一个主机和多个从机，并且在这些从机上面
6、都分配了唯一的地址。而且为了提高数据在传输时的可靠性，在系统通信方式的设计上，将其定为命令/应答的通信方式，在工作时，命令帧与应答帧都是唯一相互对应的，在发出指令的主机上，发出命令从机的命令帧，命令帧到达要访问的从机，从机接收后给予回应，发出应答帧，期间从机与主机的地址匹配，其他的从机并不对主机发出的命令帧进行回应，从而以这种问答式的通信方式加强其通讯的可靠性。不过在对其进行设计时需要注意的是，由于网络节点数与所选的 RS485 的芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，所以在设置和设计节点数上，要按照 RS485 芯片最大值的 70%选取，对其传输速率与通信距离等方面都根据有关的通信效率和节点数
7、与实地环境等因素进行综合性的考虑与设计。还有就是针对其节点与主干的距离，从理论上来说，对 RS485 节点与主干的距离的设计要求越短越好，同时由于 RS485是多用于一对多点的以半双工为结构通信的总线设计，所以在安置主机的时候尽量将其安置于一端，避免将其安置于中间。 六、基于 RS485 总线的硬件设计 作为现代通讯技术的工业标准之一，RS485 总线是在工业中应用非常成熟的一个技术。它具有简便的多站互联功能，采用一对双绞线便能实现。而针对其采用的是平衡发送和差分接收，所以为了提高系统的抗共模干扰能力，要求在信号的传输上，要在发送端，利用驱动器将 TTL 电平信号转换成差分信号，而在信号的接收
8、上，将差分信号通过接收器转变成 TTL 电平。并且在总线的末端连接一个与总线的特性阻抗相当的匹配电阻 RF，从而吸收总线上的反射信号，使得其传输的信号能正常无毛刺的稳定传输。并且对 RS485 系统的设计中，要避免集中供电，这是为了防止由于微机系统上造成电时节点的收发混乱而出现的总线堵塞现象，避免出现在上电时节点的不正常。最后要值得注意的是，为了实现对总线的使用权进行有效的分配，完全隔离连接到总线上的单机发送控制信号的时间，保证发送和接收信号的完整与正确，避免总线信号的互扰，要对 MAX1487E 芯片 DE 端通过单片机 I/O 口进行控制。 七、温度测量系统硬件的设计 （1）单片机控制器
9、AT89S52。单片机控制器 AT89S52 是一款具有功耗低、高性能特点的 CMOS8 位微控制器，在他的系统可编程 Flash 存储器中具有 8K 的内存。单片机控制器 AT89S52 可以在众多嵌入式控制应用系统中，为其提供高灵活和超有效的解决方案，而且单片机控制器AT89S52 可以运行静态逻辑操作，并且支持两种软件可选择节电模式。并且它的串行口可以用于网络通信，并且可以实现串行异步通信，同时能作为同步移位寄存器进行使用。在其单片机地址输入的连接方式上，因为其两个口，分别为单片机的 P2 口和 P0 口具有第二功能，可以分别输入高低地址，所以在其运行中，能通过 P2 口的运作进行对从机
10、地址的确定。还需要提出的是，在单片机复位电路的设计中，影响单片机系统运行稳定性的因素可以分为外因和内因两个部分。外因为射频干扰，内因为振荡源的稳定性。而要解决这些问题，就要通过电源滤波和隔离，还要进行对电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数的设定与调整等手段进行优化。而复位电路的功能就是对系统上电后提供复位信号。它是一个重要的工作方式，对系统的安全性与稳定性提供了有效的保障。 （2）数字温度传感器 DS18B20。 数字温度传感器 DS18B20是一款世界上先进的，将所有的传感原件与转换电路集中在一只形如三极管的集成电路内的温度传感器。它能对电压的变化和不稳性更好的适应，而且它采用的独
11、特的单线接口方式使得其在实现与微处理器进行双向通讯时能更为简单的仅需一条口线。而且数字温度传感器 DS18B20 支持多点的组网功能，可以实现将其多个的并联在一条三线上，从而对测温进行联网的多点测量。数字温度传感器 DS18B20 的精度高，不会因为电源极性的错误烧毁芯片，拥有机枪的抗干扰纠错能力，而且对数据的处理更快，准确度更高。是为基于 RS485 总线的多点温度测控系统提供有效多点测控和多点数据处理传输提供支持的有效保证。 八、对 RS485 的通信效率进行提高 在对基于 RS485 总线的多点温度测控系统的设计中，要对 RS485 的通信效率进行有效的提高，因为其采用的通信工作模式，即
12、其一对多点的主从应答模式，牺牲了其通讯的工作效率，所以对于此问题，要在设计中选用合适的通信协议与控制方式。首先，要对总线稳态控制进行优化和设计，在对现有资料和实地调查发现，一般大多数使用者都将收发控制端 TC 在数据发送前的 1ms 调至成高电平，使得在发送数据时总线进入了稳定的发送状态。随后在数据发送完成后的 1ms 再将 TC 调至成低电平，使得在数据在可靠发送完成后，系统转入接收状态。而比较符合效率的做法是在三点五个机器周期的延时便可以满足其通讯质量的要求。然后，在对每个字节进行校验的时候，要尽可能的减少特征字和校验字，这是为了保证数据传输的质量。在选择惯用的数据包格式上，一般优先选择和
13、尽量使其由引导码、地址码、数据、校验码、长度码、命令码、尾码组成，这便导致了每个数据包的长度过长，而在 RS485 总线中，太复杂的协议会严重影响其工作效率，所以要求其简练，尽量选择使用MODBUS 协议。从而进一步优化系统内部的运行环境，简化协议的复杂程度，进而提高 RS485 系统的通信效率。 九、系统硬件电路的设计 在对系统硬件电路的设计中，为了现场监控和采集现场的温度与湿度信号，一般在系统的下位机上采用 AT89C2051 作为其基本的控制器。采用 DS18B20 和 HIH-3610 分别总为系统的温度与湿度的传感器，而在系统的 A/D 转换上一般选取采用 TLC1549。而为了提高
14、 A/D 的准确性，加强系统的工作稳定性能，一般在设计上，对其进行优化，通常的做法的是将 MAX875 变换的输出作为 A/D 转换的基准电压，在其通信接口的芯片选用上选择 75LBC184。其他的，比如系统的上位机和显示驱动芯片、时钟芯片分别采用 AT89C2052、ZLG7289、HT1380。 十、电源部分的电路设计 在系统的电源部分的电路设计上，一般通过变压、稳压和滤波环节将+24V 的输入电压转变为各部分所需的电压。并且为了保证更好的转换特性，并且为了使其具有更高的高频特性，对其并接一个 0.1F 的电容。同时，为了保证较好的过滤特性与稳定性，在 MAX875 的输出端并联一个0.1
15、F 的电容和一个 10F 的电解电容，而且，使得经过滤波得到的LM2575 输出的较为精准的+5V 的电压能更为持久安全稳定的输出。 十一、 RS485 总线部分的电路设计 因为 RS485 总线部分的电路对整个系统的运行有着十分重要的意义，所以在对 RS485 总线部分的电路设计上，要对各种可能出现的因素充分考虑，对线路上的可能出现的干扰进行提前的预防。由于该系统应用的环境是处于复杂，各类干扰因素和不稳定因素繁多的一个工业生产环境，所以在对其设计的时候，要对 RS485 的传输端加行一定的保护措施设计。具体上，对保护电路可以用稳压管 DI 和 D2 组成回路的方法，而为了对系统的通信进行有效
16、的保护，保持系统通信的流程，对系统的通信进行可靠性的优化，所以需要对系统的电路上，对总线两端的差分端口上安置安全电阻的匹配，将其跨接在线路中，这便减少了因为不匹配造成而引起的反射，从而有效的降低了噪声的干扰。然后对 A/B 两个输出端上的电阻进行上下拉的调整，使其 A 端的电压高于 B 端的电压，这便能有效的避免了接收器的误操作，引起误接受，造成数据的不准确性。同时要对线路的特殊情况进行充分的考虑和预知，采取多加装电阻的措施避免出现故障后整个系统的崩溃，能保证总线系统的通信的稳定性。还要对系统在上电情况下 RS485 芯片处于接受输入张泰，对各类部件的相互干扰做到应有的防护措施，避免误触发，误
17、接收，从而全面提高 RS485系统的通讯准确信和可靠性。 十二、系统的软件设计 在基于 RS485 总线的多点温度测控系统设计中，对其软件的设计可谓是关系到整个系统能否按照标准发挥应有的功能，对整个系统的工作状态和系统的效能提供保证。在软件的设计上，要避免通信出现异常，这是因为 74BC184 并不带有失效保护。所以在系统进入正常通信之前，要通过主机将总线驱动大于正常值，使得所有节点的接收器产生高电平输出，从而保证数据接收的完整性。然后要对控制端 DE 的软件的编程，通过对系统数据收发的工作的延时进行对系统工作的可靠性的保障。通常的做法是在延时 1ms 左右的时间后发送有效的数据，这些都是在数
18、据发送的状态下完成的，等到一包数据发送完全结束后，再通过对系统的延时 1ms，从而达到在总线工作状态的切换状态下，有一个稳定工作的过程的标准。而针对鼓风机和至冷气等设备的较长响应时间，这就要求主机在发出控制继电器的命令后要有一个比较长的延时事件，以应对其工作的时间，加强且工作的准确。为保证系统处理速度，提高系统的执行能力，节约系统内存，对程序的编辑，要尽量避免其中带有符号，减少处理程序带有符号处理数据。 总之，在与日俱进的社会发展上，技术和生产的水平越来越高，数字信息化的模式越来越深的灌输到各类方面。使用具备设备简单，价格低廉，抗干扰能力强，能实现长距离信息传输的 RS484 收发器系统能有效
19、的将分布广泛的数据进行采集和分析控制。在使用中，要加强对 485芯片的保护力度，要加强对其优点的发挥，利用其多点测控的特点及其优势对温度进行检测和控制，这能有效的对环境和生产带来益处，对社会的发展和企业的发展有着不可忽视的作用。 参考文献： 1李乐，郑宾，秦建斌.全双工 RS485 总线发送机制的研究J.中国仪器仪表，2008， （02）. 2宋兵跃，吴军辉，黄斌.单片机的高效串行通信研究J.单片机与嵌入式系统应用，2010， （01）. 3陈在平，杜金利.面向 RS485 协议配置应用的单片机与 PC 机之间的通信J天津理工大学学报，2009， （02）. 4田拥军，赵光强，曾健平.基于 RS485 总线技术的 PC 机与单片机多机通讯设计J，湖南工程学院学报（自然科学版） ，2007， （02）. 5邰鸣，李双田.基于 RS485 通信方式的多单片机控制系统J.微计算机应用，2008， （07）.
