1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化基于RS485通信的主从式激光器控制系统的设计一、选题的背景与意义单片机以其优良的性价比，大量地应用于工业现场测试和控制领域，而PC机则因为丰富的软、硬件资源，被广泛应用于网络监控系统中；在通信领域里，一对一的通信方式已经远远不能满足人们设计的需要，多机通信已经成为通信控制领域的主流通信形式。为了实现激光器在工作过程中各种信息及时地从下位机到PC机的通信，本课题设计一个在WINDOWS平台上通过一台PC机（单一终端）与多个单片机组成的主从式激光器网络测控系统，在众多的通信方式中，串行通信所用信号连线少，是多台设备通信的最佳选择，本系统将通过串口通信方式，实时的
2、监视激光器的状态和数据，实现对激光器进行监控的功能，具有很好的实时性。该设计利用了单片机价格低、功能强、抗干扰能力好以及面向控制等优点，又结合了PC丰富的软、硬件资源，通过更深一步的研究，系统将运用ETHERNET控制结合LABVIEW虚拟仪器平台以及强大的计算机数据处理分析能力，构成管理功能强大、人机界面友好的激光器操作控制平台。一、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、根据任务要求确定控制方案，熟悉并掌握STC单片机的串口通信原理与控制方法。2、设计基于串口通信方式的一点对多点控制的通信协议，解决控制过程中编码与选址的问题，系统中每个下位机被赋予唯一的本机地址，采用上位机轮询，
3、下位机应答的通信方式，实现上位机发送命令至下位机并自动采集下位机数据的功能。3、完成单片机内嵌式程序的编写与调试，实现单一终端（PC）与多个单片机系统的交互式通信和控制的功能。24、将完成的控制算法应用于激光器的控制电路中，实现单一终端与多个激光器实现数据通信的功能。拟解决的主要问题1、通信协议的确定设计基于单片机串口通信方式的一点对多点控制的通信协议，实现单一终端控制多个对象的功能。可以设定这样一种协议，为每个控制对象分配一个本机地址（ID号），在终端与各个控制对象进行通信的过程中，当且仅当一个控制对象接收到属于自己ID号的控制命令时，才会做出相应的应答。2、系统方案的选择系统要求实现单一终
4、端对多个单片机系统的交互式串口通信和控制的功能，众所周知，在众多的通信方式中，串行通信所用信号连线少，是多台设备通信的最佳选择，串口通信主要有以下两种实现方式RS232总线方式和RS485总线方式。考虑到采用RS232总线时，在承载对象数量以及传输距离上的制约性，RS485具有明显的技术优势。3、主控制器芯片的选择根据设计任务的要求，MCU需要完成的主要任务是运用串口通讯方式实现下位机的控制以及相关数据的采集及处理。系统方案的选择主要以性价比作为首要决策因素，51系列单片机即可满足系统的要求，综合考虑选用STC11F02作为系统主控制器。4、编写和调试单片机内嵌式程序本课题的设计对单片机方面的
5、知识以及软件编程技能要求较高，如基于串口一对多控制方案的实施，要求用软件实现预定的某种协议，为控制对象分配ID号，即通过软件解决编码与选址问题。二、研究的方法与技术路线本系统中的通信采用RS485串行总线，系统中所有下位机挂接于同一条数据通信总线之上，总线为各现场单元共享，为避免总线通信的竞争与冲突，系统网络通信采用主从通信控制方法，即系统中每个下位机被赋予唯一的本机地址，采用上位机轮询，下位机应答的通信方式，通信中的波特率为9600BPS。图1为系统的总体框图，上部为232转485总线的模块构成上位机部分，下3部为RS485总线携带的N个控制对象（下位机），上位机与下位机之间通过串口进行数据
6、传输，当然控制对象的数量并不是无限的，其数量的多少因采用的RS485转换芯片型号而异，如系统框图中采用SN75176时最多可接32个下位机，若采用ISO3082转换，则最多可携带256个下位机，可根据实际情况来选择。PCMAX232SN75HVD3082E485主控单片机（上位机）1单片机（下位机）SN75HVD3082E4852单片机（下位机）SN75HVD3082E485SN75HVD3082E485N单片机（下位机）RS485总线1激光器（LASER）2激光器（LASER）N激光器（LASER）图1系统总体框图162738495D1DB9C11VS2C13C24C25VS6T2OUT7R
7、2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16MAX232U2RS3232P31P30VCCC9100NC4100NC5100NC6100N4VCC20P36/RST1P17/TXD19INT/RXD/P302P16/RXD/INT18TXD/P313P1517XTAL24P1416XTAL15P1315INT0/P326P1214INT1/P337P1113CLKOUT0/INT/T0/P348P10/CLKOUT212CLKOUT1/INT/T1/P359P3711GND10U5STC11F0212J5CON212V12J6CON2
8、C1647PFC1547PFY2110592MHZR210KC1010UF5V5V5V1234J4LOAD5VP30P31P30P31123LM7805U4C17033UFC2901UF12V5VC1310UFC30104C1110UFC1210UFC31104BAR1020KR920KD3LEDR31K5VD4LEDR41KC1410UFC32104R1RE2DE3D4GND5A6B7VCC8A1SN75HVD3082E图2上位机电路原理图本设计选用STC11F02作为主控制芯片，系统控制方案确定之后，需要解决的首要问题是如何实现一对多的控制协议的实现，根据已有的设计思路设计模拟电路图，包括
9、上位机（图2）和下位机（图3）两个模块，当然下位机可以增加为N多个，各模块通过RS484总线连接在一起，为了更好地模拟实际情况，在设计中下位机电路中添加了一些LED灯，以便通过显示更直观地看到系统的控制效果。5VCC20P36/RST1P17/TXD19INT/RXD/P302P16/RXD/INT18TXD/P313P1517XTAL24P1416XTAL15P1315INT0/P326P1214INT1/P337P1113CLKOUT0/INT/T0/P348P10/CLKOUT212CLKOUT1/INT/T1/P359P3711GND10U1STC11F02C1147PFC1047PF
10、Y1110592MHZR110KC110UF5V5V1234J5LOAD5VP30P31P30P31D14D13D12D11D10D9D85VDE12J2CON25VR520KR620K12J1CON212V123LM7805U3C12033UFC1501UF12V5VC710UFC16104C510UFC610UFC17104D15LEDR151KR71KR91KR101KR111KR121KR131KR141KR1RE2DE3D4GND5A6B7VCC8A1SN75HVD3082EDEDEDE图3下位机电路原理图三、研究的总体安排与进度201011201012熟悉所选单片机的通信原理与控制
11、；201101201102设计基于串口通信方式的一点对多点的通信协议；201103201104完成单片机内嵌式程序编程与调试，实现单一终端对多个单片机系统的交互式通信和控制的功能；201105201106程序改进与完善，完成毕业论文及答辩。五、主要参考文献1吴秋明,和卫星,陈晓平,等基于RS485总线的PC与多单片机间的串行通信J微计算机信息管控一体化,2006,22821431452李园园,魏权利,李勇基于RS485通信的主从式粮仓监控系统J工业控制计算机,2006,19252543赵庆亮,魏晓涛,王以伦用单片机的串行口实现异步串行通信J信息技术,2003,27733354张忠华单片机与PC
12、机串行通信的实现J,测控技术,2009,2813113565王文中,郭楠,葛庆平PC机与单片机串口通信模型的设计与实现J首都师范大学学报自然科学版,2004,25136王苒,汤东谊基于RS485主从通信协议的实现J现代电子技术,2003,2467717赵凯PIC单片机与PC机异步串行通信的设计J武汉理工大学学报信息与管理工程版,2006,28111421458姜云柏,韩怀成,等主从式RS485串行通讯在实际中的应用J信息技术,2001,39鲍小南等单片微型计算机原理及应用杭州浙江大学出版社,2007810许丽佳,陈阳舟PC机与多MCS51单片机间的串行通信设计J通信技术与设备,2002,288
13、192511ROSTISLAV,ARKADIY,AVINOAMKOLODNY,RANGINOSARPARALLELVSSERIALONCHIPCOMMUNICATIONJSLIP08,APRIL,56,2008,NEWCASTLE,UNITEDKINGDOM12SN75HVD3082EPDFWWWTICOM7毕业设计文献综述电气工程与自动化基于RS485通信的主从式激光器控制系统的设计摘要为了对激光器在工作过程中的各种信息进行实时监控，及时地将信号从下位机传送到上位机，本课题将设计了一种基于WINDOWS平台的单一终端PC（上位机）与多个单片机（下位机）组成的主从式激光器网络测控系统，实现PC
14、对多个单片机系统的交互式通信和控制的功能。串行通信是多机通信的最佳选择，本设计综合考虑传输距离、下位机数量等因素的限制，选择RS485差分总线方式。本系统将通过串口通信，实时监控激光器的状态和数据，具有价格低、功能强、抗干扰能力好、实时性强等优点。关键词单片机，RS485差分总线，多机通信，主从式结构1背景与意义单片机以其优良的性价比，大量地应用于工业现场测试和控制领域，而PC机则因为丰富的软、硬件资源，被广泛应用于网络监控系统中；在通信领域里，一对一的通信方式已经远远不能满足人们设计的需要，多机通信已经成为通信控制领域的主流通信形式。随着单片机和微机技术的发展，由PC机和多台单片机构成的多机
15、网络监控系统已成为单片机技术发展的一个方向。它结合了单片机在实时数据采集和微机对图形处理、显示的优点。同时，WINDOWS环境下后台微机在数据库管理上具有明显的优势。二者结合，使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。现在的工业控制等领域已有这方面的应用，例如为大型粮食仓库构建的主从式网络监控系统，通过上位机PC与下位机单片机之间的通信，使上位机发送命令至下位机并自动采集下位机数据，实现对粮仓的智能控制2；另外为实现钻井油田中滚动轴承的振动信号测控系统从下位机到PC机的通信1；加油站管理系统5等。由此可见，该设计具有很好的实际应
16、用价值。本设计将实现单一PC机与多个单片机间的数据通信，具有提取数据方便、快捷、实时性较好、功8能强、抗干扰能力好等优点，同时结合了PC丰富的软、硬件资源，试想通过进一步的研究，系统可运用ETHERNET控制结合LABVIEW虚拟仪器平台以及强大的计算机数据处理分析能力，构成管理功能强大、人机界面友好的激光器操作控制平台。2实现方法串行通信简单易行，所以在很多场合都采用串口通信方式来实现PC机与单片机的通信。文献5介绍了在WINDOWS环境下实现串行通信的基本原理，并且设计了一个通用的通信模型，见图1，这是一个非常实用的模型，可以根据不同的需要进行完善。图1单片机监控模型文献3介绍多机通信方面
17、的知识，在通信领域一对一的通信方式已经远远不能满足人们设计的需要，多机通信已经成为通信控制领域的主流通信形式。通过对MCS51系列单片机串行口的研究，简要阐述了单片机通信方式及串行接口的原理。文献1是串口多机通信方面的实际应用，讲述了为解决钻井油田中滚动轴承振动信号检测问题而进行的研究，为实现钻井油田中滚动轴承的振动信号测控系统从下位机到PC机的通信，设计了一种基于RS485总线的方法。值得注意的是PC机与单片机之间的电压不兼容，必须要进行电平转换。文献2介绍了利用RS485总线为大型粮食仓库构建的主从式网络监控系统。由于现代化的粮食仓储系统规模庞大，对粮食的安全性提出了更高的要求。但由于粮仓
18、众多，造成工作人员工作强度大、效率不高，且人工操作很难捕捉通风的最佳时机，从而通风效率低、电耗大。为了解决这些问题，研发了基于RS485串口通信构成的主从式网络监控系统。实现一台上位机PC机与多台下位机单片机所构成，利用了单片机价格低、功能强、抗干扰能力好以及面向控制等优点，又结台了PC丰富的软硬件资源，而且还利用了强大的计算机数据库处理分析能9力，从而提供管理功能强大、人机界面友好的操作控制平台。通过对现有文献资料的查阅，综合其中一些技术方案，整理最终制定出本设计的设计思路如下本系统中的通信采用RS485串行差分总线，系统中所有下位机挂接于同一条数据通信总线之上，总线为各现场单元共享，为避免
19、总线通信的竞争与冲突，系统网络通信采用主从通信控制方法，即系统中每个下位机被赋予唯一的本机地址，采用上位机轮询，下位机应答的通信方式，通信中的波特率为9600BPS2。图2为系统的总体框图，上部为232转485总线的模块构成上位机部分，下部为RS485总线携带的N个控制对象（下位机），上位机与下位机之间通过串口进行数据传输，当然控制对象的数量并不是无限的，其数量的多少因采用的RS485转换芯片型号而异，如系统框图中采用SN75176时最多可接32个下位机，若采用ISO3082转换，则最多可携带256个下位机，可根据实际情况来选择。PCMAX232SN75HVD3082E485主控单片机（上位机
20、）1单片机（下位机）SN75HVD3082E4852单片机（下位机）SN75HVD3082E485SN75HVD3082E485N单片机（下位机）RS485总线1激光器（LASER）2激光器（LASER）N激光器（LASER）图2系统总体框图上下位机间的通信过程1通信均有上位机发起，下位机不主动申请通信；2当处于轮询状态时，上位机依据下位机地址，定时向下位机发送呼叫指令。此时，每台下位机都中断接受并判断，地址不相符的下位机中断返回，执行其他下位机任务；反之则把本机地址及其状态作为应答信号发送给上位机。上位机接收到应答信号后，可以作进一步的处理。103发展趋势基于RS485的主从式网络粮仓监控系
21、统2，完成了自动采集粮仓内的温度、湿度值并对粮仓内的环境进行控制，而且实现了对数据库的管理和报表的打印。油田钻井滚动轴承的振动信号测控系统1，界面良好，维护方便，对于工作环境比较恶劣的钻井油田滚动轴承的振动信号的采集与传输达到了实际要求，为滚动轴承故障检测提供了方便而有效的振动信号。单片机与PC机的串行通信的实现，使得许多电子产品的设计非常方便，不仅满足了许多工作人员在特殊场合的设计需要，而且能够有效地实现自动化控制，因此该项功能的实现在电子设计领域有着重要的实际应用意义，上文中列举的一些应用实力，无疑验证了串行多机通信的应用价值与发展潜力。4结论综上所述，该设计的实现主要解决以下四个问题一、
22、通信协议的确定，即设计基于单片机串口通信方式的一点对多点控制的通信协议，实现系统要求实现单一终端对多个单片机系统的交互式串口通信和控制的功能。二、系统方案的选择，串行通信是多机通信的最佳选择，综合考虑选择RS485差分总线方式。三、主控制器芯片的选择，系统方案的选择主要以性价比作为首要决策因素，综合考虑选用STC11F02作为系统主控制器。四、编写和调试单片机内嵌式程序，本课题的设计对单片机方面的知识以及软件编程技能要求较高，如基于串口一对多控制方案的实施，要求用软件实现预定的某种协议，为控制对象分配ID号，即通过软件解决编码与选址问题。在以上技术路线的基础上，在导师的指导下，相信经过自己的努
23、力，会在该项目的设计过程中取得进步。主要参考文献1吴秋明,和卫星,陈晓平,等基于RS485总线的PC与多单片机间的串行通信J微计算机信息管控一体化,2006,22821431452李园园,魏权利,李勇基于RS485通信的主从式粮仓监控系统J工业控制计算机,2006,19252543赵庆亮,魏晓涛,王以伦用单片机的串行口实现异步串行通信J信息技术,2003,2773335114张忠华单片机与PC机串行通信的实现J,测控技术,2009,281311355王文中,郭楠,葛庆平PC机与单片机串口通信模型的设计与实现J首都师范大学学报自然科学版,2004,25136王苒,汤东谊基于RS485主从通信协议
24、的实现J现代电子技术,2003,2467717赵凯PIC单片机与PC机异步串行通信的设计J武汉理工大学学报信息与管理工程版,2006,28111421458姜云柏,韩怀成,等主从式RS485串行通讯在实际中的应用J信息技术,2001,39鲍小南等单片微型计算机原理及应用杭州浙江大学出版社,2007810许丽佳,陈阳舟PC机与多MCS51单片机间的串行通信设计J通信技术与设备,2002,288192511ROSTISLAV,ARKADIY,AVINOAMKOLODNY,RANGINOSARPARALLELVSSERIALONCHIPCOMMUNICATIONJSLIP08,APRIL,56,20
25、08,EWCASTLE,UNITEDKINGDOM12ANDREIDRUMEA,ALEXANDRUVASILEASPECTSOFSERIALCOMMUNICATIONINANETWORKOFMEDICALDEVICESJISSE2006STMARIENTHAL,GERMANY37738112本科毕业设计（20届）基于RS485通信的主从式激光器控制系统的设计13摘要【摘要】本文研究的是基于RS485总线通信的主从式激光器远程控制系统，核心工作是实现上位机（控制器）与下位机之间的远程通信。系统采用上位机控制、下位机应答的主从式控制方案，通过自定义串行通信协议，实现了上位机与多个单片机系统的交互式
26、通信及控制的功能，通信波特率为9600BPS。系统可同时连接128个下位机，每个下位机可支持214种操作，每种操作均由控制器上唯一的按键进行控制。系统中每个下位机被赋予唯一的本机地址（ID），当且仅当接收到符合自己ID的数据信息时才予以应答，控制激光器模拟器件动作，具体表现为控制相应通道的LED点亮、将该下位机地址信息回发至上位机。本系统设计成本低、稳定性好、实时性强，具有可扩展性、很好的实际应用价值。【关键词】单片机；RS485差分总线；通信协议；主从式结构。14ABSTRACT【ABSTRACT】THISSTUDYISBASEDONTHERS485BUSCOMMUNICATIONMASTE
27、RSLAVEREMOTECONTROLSYSTEMOFLASERS,THECOREWORKISTOACHIEVETHEREMOTECOMMUNICATIONBETWEENHOSTCOMPUTERCONTROLLERANDLOWERMACHINESTHESYSTEMADOPTEDTHEMASTERSLAVECONTROLSCHEMEOFHOSTMACHINEPOLLSANDLOWERMACHINESANSWERTHROUGHACUSTOMSERIALCOMMUNICATIONPROTOCOL,TOACHIEVETHEINTERACTIVECOMMUNICATIONANDCONTROLFUNCTI
28、ONSBETWEENCONTROLLERANDMULTIPLESINGLECHIPSSYSTEMS,COMMUNICATIONSBAUDRATEIS9600BPSTHENUMBEROF128LOWERMACHINESCANBECONNECTEDTOTHESYSTEMATTHESAMETIME,ANDEACHLOWERMACHINECANSUPPORT214SPECIESOPERATIONS,EACHOPERATIONARECONTROLLEDBYTHEONLYBUTTONONTHECONTROLLEREVERYLOWERCOMPUTERISASSIGNEDAUNIQUEADDRESSNUMBE
29、RID,THENEXTCREWRESPONSESIGNALWASGIVENONLYIFTHERECEIVEDIDOFTHECOMMANDWITHHISOWNID,WHILETHELASERANALOGACTIONS,SPECIFICPERFORMANCECONTROLTHELEDLIGHT,THELOWERMACHINEADDRESSINFORMATIONBACKTOCONTROLLERTHESYSTEMISLOWCOST,GOODSTABILITY,REALSTRONG,SCALABILITYANDGOODPRACTICALVALUE【KEYWORDS】SINGLECHIP；RS485DIF
30、FERENTIALBUS；COMMUNICATIONPROTOCOL；MASTERSLAVESTRUCTURE15目录1引言1711选题的背景和意义1712本文内容简介172系统设计方案的选择1921通信方案的选择1922上位机1923下位机2024电源2025系统总体设计框图203系统硬件设计2231电源电路2232上位机22321按键模块22322单片机主控模块23323TTL电平转RS485电平模块24324上位机工作原理2533下位机254系统软件设计2641通信协议的制定26411串口通信协议26412数据帧结构26413波特率的设置2742上位机控制程序的设计2743下位机控制程序
31、的设计305通信的可靠性分析3351信号传输问题3352多机分时复用问题336系统测试与总结3461系统调试3416611硬件调试34612软件调试3462测试结果3863总结与展望38参考文献40致谢错误未定义书签。附录411、产品实物图412、电路原理图423、PCB板图434、程序清单44171引言11选题的背景和意义激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就，它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。由于激光器具备
32、的种种突出特点，被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。如在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量。今后，随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能和成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。随着激光器技术的发展，其控制方面的研究也随之引起重视，本课题就将对这方面的问题进行研究。就现阶段来讲，单片机技术日益成熟、性价比不断提高，现已在工业现场测试及控制领域得到广泛应用；在通信领域传统的“点对点”通信方式已经远不能满足各种设计的需要，多机通
33、信便应运而生（多机通信是指由两台以上单片机组成的网络系统，可通过串行通信实现对某一过程的控制），并已成为通信控制领域的主流。紧随单片机和微机技术发展的步伐，单片机的应用已不再局限于传统意义上的自动监测、控制，而是形成了以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势，以达到经济性、方便性和时效性等方面的要求。单片机的多机通信是在单片机的发展与行业标准的提高上发展起来的一个研究方向。单机控制已逐渐不能满足设计的需要，多机协调工作是一个非常重要的发展趋势。多机应用的关键在于各个终端之间的互相通信、数据传输。单片机多机通信在未来的工业控制、通信、家用电器等领域都将得到很大的发展，而单片机依靠其体积小、性价比高
34、等优势一定会在未来的各个控制领域得到更好的发展。综上所述，设计单片机控制激光器控制器之间的多机远程通信的课题具有一定的应用价值，该系统同时还可以应用于其他设备的控制，并且具有很好的扩展性。12本文内容简介本课题研究的是基于RS485差分总线的主从式激光器远程控制系统，采用上位机与下位机的架构，该系统需要完成的核心工作是实现控制器（上位机）与下位机之间的远程通信，正文主要由四大部分组成，下面将对各部分的主要内容进行简单的说明。第一部分，系统方案选择，包括通信方案的确定，系统的总体规划。系统采用上位机（控制器）和下位机（激光器系统）的结构，二者之间通过RS485总线网络进行远程通信，实现对激光器设
35、备的远程控制。第二部分，硬件电路设计，这是系统设计的关键，硬件设计过程中需要注意RS485通信18中硬件在抗干扰等方面的设置，如本系统中采用在总线末端跨接120终端电阻的方式来实现系统的阻抗匹配以减少干扰，芯片电源与地脚之间串接去耦电容，消除高频信号干扰，电源采用12V直流稳压电源直接供电等方法，以保证系统稳定工作。第三部分，系统软件设计，RS485总线标准对其电气特性做了具体规定，但并未对通信协议做具体的设定，为保证系统通信安全可靠的进行，系统需要有完善的通信协议予以协助，文章在该部分，给出了系统自定义的串口通信协议、数据帧格式、编码方式及各模块的软件控制程序的设计过程。最后，系统调试与总结
36、。该部分针对调试过程中遇到的种种问题以及解决的方法进行总结分析，并给出调试结果，最后指出系统有待完善的地方。192系统设计方案的选择21通信方案的选择方案一采用RS232总线RS232串口总线标准是一种用于低速率串行通信、可以增加通信距离的单端通信标准，采取非平衡传输方式，其收发端数据信号均以地信号作为参考。RS232总线具有以下不足首先，接口电平较高且与TTL电平不兼容，因此需使用电平转换电路才可与TTL电路连接；其次，传输速率较低，在异步传输时，波特率为20KBPS；再次，接口由一根信号线和一根信号返回线构成共地形式，这种共地传输形式容易产生共模干扰；传输距离有限、共模抑制能力差、双绞线的
37、分布电容，导致其传输距离最大约15M，且不支持多机通信。方案二采用RS485总线RS485是在RS422基础上制定的串行数据接口标准，采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线，其接口组成半双工网络，一般只需二根数据线和一根接地线（在距离较短的情况下可不接，采用屏蔽双绞线传输。下面对该RS485总线的具体特性作如下说明电气特性，逻辑“1”两线间的电压差为26V表示，逻辑“0”当两线间的电压差为2V6V表示，该特性因选用的RS485芯片的不同而异；数据的最高传输速率为10MBPS；接口采用平衡驱动器、差分接收器，抗共模干扰、抗噪声干扰能力大大提高；最大传输距离为1200M（标准值），总线上
38、允许连接多达256个收发器即具有多站能力，这样用户可以比较方便地建立系统网络。综上所述，本设计选用RS485总线通信方案。由于RS485具有良好的抗噪声干扰能力、传输距离长、多站能力，使其成为串行接口的首选，而在“一对多”的通信模式中，考虑到系统中各个设备之间的物理位置相距较远、运行环境复杂、干扰较大，RS232串行通信方式远不能满足系统的要求。22上位机要实现通过RS485总线通信方式对多个激光器系统进行集中控制的功能，控制器是系统控制的核心部分，本设计中控制器的结构框图如图21所示，这里所讲的控制器也称为系统的上位机。该部分电路主要由以下三个主要电路模块组成控制按键模块、单片机主控模块、T
39、TL电平转RS485电平模块。操作者通过操作按键发送控制信号，主控单片机模块检测到控制信号并进行处理，根据按下按键的功能发出相应控制下位机的信号，并将信号由TTL电平信号转换为RS485电平信号传给下位机，符合要求的下位机将给予应答，从而达到控制激光器模拟器件动作并回传信号的效果。20单片机主控模块按键模块RS485总线TTL电平转RS485电平模块图21上位机（控制器）结构框图23下位机下位机主要完成与上位机的通信工作，并根据上位机发送的控制信息，控制激光器模拟器件动作并返回本机地址。这部分电路主要由以下三部分组成RS485电平转TTL电平模块、单片机主控模块和激光器模拟器件模块，图22为下
40、位机的结构框图。RS485电平转TTL电平模块RS485总线单片机主控模块激光器模拟器件图22下位机结构框图24电源系统采用12V直流稳压电源作为供电电源，该供电方式在功率上可以满足系统需要，使用安全可靠，该供电方式的选择最关键的一点在于确保电源经过长距离传输后，可以保证各下位机5V供电电源的稳定性。因为电源经长距离传输后必然会造成一定的损耗，这里选用12V电源供电，电源输送到下位机后完全可以满足下位机工作的需求。25系统总体设计框图图23为系统总体设计框图，上部为控制器部分；下部由RS485收发芯片及N个单片机控制的激光器模拟器件构成了系统的N个下位机。上位机与下位机之间通过串行口进行数据通
41、信，当然网络系统中下位机的数量并不是无限的，其数量会因采用的RS485收发芯片的类型而异，图23为系统总体设计框图，系统中RS485接口芯片选用德州仪器（TI）公司生产的SN75HVD3082E，最多可连接256个收发器，若选用SN75176作为收发器，则最多可接32个下位机，用户可根据系统实际情况进行选择。系统中RS485总线被各下位机所共享，为了避免总线冲突，系统采用“主从式控制方案”，具体表现为系统为每一个下位机提供唯一的本机地址（ID），正常工作时采用上位机控制、下位机应答的主从式通信方案，通信波特率为9600BPS。21按键模块RS485电平转TTL电平模块单片机主控模块1单片机主控
42、模块RS485电平转TTL电平模块2单片机主控模块TTL电平转RS485电平模块RS485电平转TTL电平模块N单片机主控模块RS485总线激光器（LASER）激光器（LASER）激光器（LASER）图23系统总体设计框图223系统硬件设计31电源电路为了给系统提供稳定的电源，在设计和使用电源供电时要十分注意电源电压能否满足电路元器件对电压幅度、稳定性和极性的要求，否则电路将无法正常工作，且当电源电压高于电路所需要的电压或所使用的电源极性不对时，将会烧坏电路，严重时甚至会烧坏电源。12J2CON2123LM7805U2C8104C91045VC2100UFC310UFR101KD8LEDD10
43、1N4007VIN12V图31电源电路原理图图31所示为系统的电源部分原理图，系统采用三端稳压器LM7805来进行稳压，LM7805的输入、输出电压差应不小于25V，采用12V的稳压电源为系统供电。经过LM7805稳压及并联电解电容和瓷片电容进行滤波后得到一个约为5V的直流电，即为系统的工作电源。电路中二极管D1的作用是防止系统因电源反接导致电路造成损坏。32上位机上位机即系统的控制器部分，主要由按键模块、单片机主控模块及TTL电平转RS485电平模块三部分组成。按键用于发送控制信号，TTL电平转RS485电平部分用于实现RS485总线与单片机之间的连接，这里单片机主控模块起到过渡连接的作用，
44、实现了按键控制、RS485总线传输的效果。321按键模块S1KEYS2KEYS3KEYS4KEYC1C1C2C2C3C3C4C4S5KEYC5C5S0S1S2S3S4123456J1CON6S0S1S2S3S4图32按键电路原理图按键部分用于发送控制信号，原理图见图32所示，每个按键并联一个100NF（104）电23容，进行硬件去抖。每个按键均有属于自己的控制对象，模拟系统设有5个按键，具体设置的控制对象见表31，这里仅列出本模拟系统用到的5个按键的情况，系统的下位机个数及每个下位机支持的操作功能，由通信协议中规定的地址、数据位信息决定，具体情况将在软件设计部分进行详细说明。表31按键设置及控
45、制对象安排表按键名称控制对象S00号下位机激光器0通道S10号下位机激光器1通道S21号下位机激光器0通道S31号下位机激光器1通道S41号下位机激光器2通道322单片机主控模块该模块是上位机工作的核心部分，控制器的功能主要就是通过这部分电路实现的。该部分电路比较简单，其电路原理图如图33所示，包括单片机主控芯片、时钟电路、复位电路三个主要部分。主控芯片选用宏晶公司生产的单片机STC11F02E，结合基本的外围电路，构成单片机的最小系统电路。VCC20P36/RST1P17/TXD19INT/RXD/P302P16/RXD/INT18TXD/P313P1517XTAL24P1416XTAL15
46、P1315INT0/P326P1214INT1/P337P1113CLKOUT0/INT/T0/P348P10/CLKOUT212CLKOUT1/INT/T1/P359P3711GND10U5STC11F02C1620PFC1520PFY2110592MHZR210KC1010UF5V5V1234J2LOAD5VP30P31RXDTXDP15S0S1S2S3S4图33单片机主控模块原理图STCL1F02E单片机采用增强型8051内核，具有2KB片内FLASH程序存储器、2KB的EEPROM存储器、256B的片内SRAM数据存储器。电路采用上电复位方式，晶振选用110592MHZ，该值的选取与系
47、统通信时通信设备之间的波特率紧密联系，为保证通信的稳定性，发送方和接收方的数据帧格式、通信波特率要设置一致，而要实现相同的波特率，本系统中上位机与下位机选用了相同型号的时钟芯片。电路中J2为下载口，下载端口包括VCC、GND、P30、P31四个引脚。24323TTL电平转RS485电平模块5VR9120R1RE2DE3D4GND5A6B7VCC8A1SN75HVD3082E1234J3CON412VRXDTXDP15图34TTL电平转RS485电平模块原理图该模块的电路图如图34所示，其中RS485收发芯片选用了TI公司生产的SN75HVD3082E，该芯片具有15KV静电放电冲击保护功能，可
48、以减少电磁干扰和终端电缆反射的影响，允许高达200KBPS速率的无差错数据传输。该芯片采用5V的单电源供电，在一条总线上可同时连接多达256个收发器（理论值），该芯片的应用在很大程度上简化了单片机和RS485总线接口电路的设计。信号在总线上传送时，若遇到阻抗不连续的情况下，容易导致电磁干扰及终端反射等现象，从而影响了信号远距离传输的效果，导致有效信号与干扰信号在总线上相互叠加，严重时甚至将导致系统瘫痪。因此在电路设计中要充分考虑线路中信号干扰、阻抗匹配等方面的问题。RS485总线通信情况下，信号的传输介质为双绞线，常用双绞线的特性阻抗一般在110130的范围内，因此本设计采取在RS485总线末
49、端跨接120电阻的方式来减少传输线上信号的反射效应。图35SN75HVD3082E典型应用电路由原理图34可以发现，通过设置P15（_RE、DE）引脚的状态，可以达到控制总线收发状态的目的，设计电路时要特别注意一点“接收”指信号从总线上收回（即单片机接收总线上的数据信号），“发送”指信号发送至总线之上（即单片机发送信号到总线）。这是设计SN75HVD3082E与单片机连接线的理论依据，图35为SN75HVD3082E收发器的典型应用电路图，图中信号的传输方向也说明了该特性。鉴于此，电路中收发器与单片机的串口收发端连接应设置为SN75HVD3082E的D、R分别接单片机的TXD、RXD引脚。25324上位机工作原理上位机部分电路原理图见附录（上位机原理图），该部分主要由按键电路、单片机最小系统电路、TTL电平转RS485电平电路、电源电路四部分组成。现对上位机的基本工作原理阐述如下上位机通过按键发送控制命令，STC11F02E检测到按键命令后对信号进行处理后，通过P16和P17串口发送数据帧信息至RS485总线，以广播形式发送给各个下位机，下位机接收到控制命令后，判断命令中地址信息是否为本机地址，是，则动作并发送应答信息，否，则不予应答。33下位机下位机部分电路原理图见附录（下位机电路原理图），它主要由单片机最小系统、RS485电平转TTL电平转模块
