1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 RS485 通讯的智能仪表数据采集系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在测试控制系统中，数据采集系统作为一个主要的组成部分，为测试管理与控制实时提供数据，为实验人员进行产品 性能分析提供重要依据。 PLC控制数据采集系统目前在工业自动糊控制领域中应用最广泛。 PLC与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，且数据处理功能大大增强，编程指令具有模块化功能，能够解决就地编程、监控、通讯等问题。 本文主要介绍串口通讯的原理，通过分析温控表的通讯协议以及相关操作，
2、用串口调试软件测试了部分指令，这样可以确保指令的正确性以及确定温控表是否能正常通讯。接着用永宏 PLC的编程软件 WinProLadder编写了这个数据采集系统程序的梯形图，并对 关键 程序进行了解释说明。最后，用组态软件对该数 据采集系统进行组态，做出了主画面以及其温度曲线和报表系统。 关键词： RS-485串口通讯，智能温控表，通讯协议， PLC,组态软件 II Based on RS485 communication intelligent instrument data acquisition system design Abstract In the test control sys
3、tem, data acquisition system as one of the main part for testing management and control, real-time provide data and experimental personnel to provide important basis for product performance analysis. PLC control data acquisition systems currently in industrial automatic pasting control the most wide
4、ly used in the field. Compared with other microcomputer PLC, the more suitable for in bad industrial environments, and data processing functions have been enhanced, featuring modularization programming instructions, can solve function in situ programming, monitoring, communications, and other proble
5、ms. This paper mainly introduces the principle of serial communication, through the analysis of the temperature control meter communication protocol and relevant operation, use the serial port debug software testing part, can ensure so instructions commands the correctness of temperature control ins
6、trument and determine whether can normal communication. Then use yonghong PLC programming software WinProLadder write the data acquisition system programming ladder diagram, and procedure of part explanation. Finally, using configuration software for the data acquisition system configuration, made t
7、he main screen and its temperature curve and reporting systems. Keywords: RS-485 Serial Communication,Intelligent Temperature Control Meter, Communication Protocol, PLC, Configuration Software III 摘 要 . I Abstract . II 第 一章 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 第二章 数据采集系统的发展现状 . 2 2.1 RS-485、智能仪表及数据采集系
8、统的国内外发展现状 . 2 2.1.1 RS-485的研究现状 . 2 2.1.2 智能仪表的研究现状 . 2 2.1.3 数据采集系统的研究现状 . 4 2.2 课题研究的主要内容 . 4 第三章 数据采集系统的的总体设计 . 6 3.1 数据采集系统的方案设计 . 6 3.2 该数据采集系统现场布线应注意的问题 . 7 第四章 数据采集系统的具体设计 . 8 4.1 智能仪表的相关操作以及参数的设定 . 8 4.2 串口通讯 . 11 4.3 PLC的编 程 . 16 4.3.1 PLC的联机 . 17 4.3.2 实际温度的读取 . 18 4.3.3 温度异常的报警 . 21 4.3.4
9、 设置设定温度 . 22 4.3.5 计算指令的校验码 . 23 4.4组态软件 . 24 第五章 总结 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 30 基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 1 第一章 绪论 1.1 课题的来源 智能仪表是随着 80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是 RS-232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的 RS
10、-485解决了这个问题。 20世纪 90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用 11。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。该阶段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。 1.2 课题的意义 RS-485串行通讯总线标准及接口技术已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中 ,经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。由于
11、 RS2485 具有性能优异、组网简单的优点 ,它在集中控制系统、分布式控制系统中的应用相当广泛 ,特别是在要求远距离传输的应用中。 PLC 控制数据采集系统目前在工业自动糊控制领 域中应用最广泛。 PLC 与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，且数据处理功能大大增强，编程指令具有模块化功能，能够解决就地编程、监控、通讯等问题。 基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 2 第二章 数据采集系统的发展现状 2.1 RS-485、智能仪表及数据采集系统的国内外发展现状 2.1.1 RS-485 的研究现状 RS-485是串行数据接口的标准，是为弥补 RS-232通信距离短、
12、速率低等缺点而产生的，是在 RS-422基础上制定的标准，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。 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。它与 RS-232 不同，数据信号采用差分传输方式，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， A、 B之间的正电平在 +2 +6 V，表示逻辑状态“ l”；负电平在 -2 -6 V，表示逻辑状态“ 0” 14。 RS-485标准 1的最大传输距离约为 1200m，最大传输速率为 10 Mbps。通常，R
13、S-485网络采用平衡双绞线作为传输介质。平衡双绞线的长度与传输速率成 反比，只有在 20 kbps 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， 100 m 长双绞线最大传输速率仅为 1 Mbps。如果采用光电隔离方式，则通信速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。 RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一
14、点处 于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 RS485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32台驱动器和 32台接收器。 2.1.2 智能仪表的研究现状 微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代 “智能化仪表 ”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展 。 随着微电子技术的不断发展，集成了 CPU、存储器、定时器 /计 数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至 A/D、 D
15、/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片 (即单片机 )出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的 “智能化测量控制系统 ”，也就是智能仪器 2。 基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 3 智能仪器与微处理器相结合，取代了许多笨重的硬件，内部结构和前面板大为改观，节省了许多开关和调节旋钮。智能仪器不再是简单的硬件实体，而是硬件与软件的结合，微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪器的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，并对数据进行数字 显示和传送，软件在仪器智能化高低水平方面起着重要作用，这些都是传统的模拟方法很难
16、做到的。智能仪器通常具有以下几个特点： 1、开发性强，可靠性高 在不增加硬件设备的情况下，以软件代替硬件，通过开发不同的应用软件使检测系统实现不同的功能，使得智能仪器仪表的研制开发费用低、周期短。由于“硬件软化 “，简化了硬件电路，减少了元器件，也就减少了故障发生率，提高了仪器仪表的可靠性。 2、性能好，精度高 利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以消除由于漂移、增益变化、干扰等因素引起的误差，提高仪器的测量精度。同 时还有利于传感器的非线性校正和动态特性补偿，改善了仪器的性能。 3、具有数据处理功能 数据处理功能是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得
17、许多原来用硬件逻辑难以解决或者根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活得加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻，交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅可以进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来。 4、智能化 智能仪器仪表不仅可以对被测信号进 行测量、存储和运算，还具有自校准、自动调零、量程自动转换、故障自诊断等功能，大大地改善了仪器的自动化水平。与些仪器采用了专家系统技术，可根据控制指令和外部信息自动地改变工作状态，并进行复杂的计算、推理。 5、具有友好的人机对话能力 操作人员可通过键盘
18、输入命令，控制仪器完成某种测量和处理功能。仪器还可以通过显示器显示仪器的运行状况、工作状态以及对测量数据的处理结果，使仪器的操作更加方便直观。 6、具有可程控操作的能力 目前的智能仪器仪表都配有 RS-232C、 RS-485、 USB等通信接口，可以很方便地与计算机 联系，接收计算机的命令，使其具有可程控操作的功能。与计算机或其他仪器构成的集散控制系统可以完成更复杂的测试任务。 基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 4 温控仪是调控一体化智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有温度曲线可编程或定点恒温控制、多重 PID 调节、输出功率限幅曲线编程、手动 /自动切换、软启动
19、、报警开关量输出、实时数据查询、与计算机通讯等功能，将数显温度仪表和 ZK晶闸管电压调整器合二为一，集温度测量、调节、驱动于一体，仪表直接输出晶闸管触发信号，可驱动各类晶闸管负载。 2.1.3 数据采集系统的研究现状 将模拟信号转换为数字信号、 并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集，而相应的系统则为数据采集系统。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。 由于数据采集技 3术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值，或通过信号处理对该模拟量进行分析。与模拟系统相比，数字系
20、统具有精度高、可靠性高等优点，因而，数据采集技术的应用越来越广泛，如温度、压力、位置、流量等模拟量，可以通过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量 (如电压、 电流或电脉冲等 )，再通过适当的信号调理将信号送给模拟数字转换器，使其转换为可以进一步处理的数字信号送给数字信号处理器或微处理机。反之，数字信号处理或微处理机可通过数字模拟转换器将其产生的数字信号转换为模拟信号，再通过信号调理进行输出。 随着微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，数据采集系统取得了巨大的进展，主要得益于硬件集成电路的不断发展。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，加上用软件管理，使数据采集系统的成本降低，体积减小，
21、功能成倍增加。同时由于科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，对数据采集系 统的许多技术指标，如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。 数据采集是整个企业实现工业行业自动化的最前端，数据采集系统的测试精度、数据处理速度以及实现这些功能的成本是几个重要因素，数据采集器也正朝着高精度，高速度，低成本，小型化的智能化方向发展。高速、实时数据采集在工业自动化领域有着非常重要的应用。用户的需求促进了技术的发展和新产品大量的出现，对高速数据采集仪器的需求远远超过目前实际可以实现的程度。 2.2 课题研究的主要内容 本文研究的数据采集系统主要是采集温控 表的温度，
22、综合利用各种通信接口，实现测试数据的实时采集、处理及存储，并将采集的数据实时传送给管理基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 5 系统。这就需要了解温控表的通讯协议，以及会用相关串口调试软件对指令进行检测，然后通过 PLC 的编程软件对该数据采集系统编程，最后用组态软件绘制该数据采集系统的组态界面。 在完成上述步骤的前提下，要做到以下几点要求：实时性、可靠性、可配置性。 实时性即在采样周期规定的时间内，实现工控机、 PLC、智能仪表之间的正常通讯，并将数据实时地返回到工控机。 可靠性就是要保证数据采集系统的稳定，在硬件方面，要保障通讯接口，通讯总 线的正常以及工控机、 PLC、智能仪
23、表之间的连接正常；软件方面，要有可靠的通讯实现代码，使智能仪表与工控机正常通讯。 可配置性，在该数据采集系统的设计中，我们采用配置文件与配置界面相结合的方式，对智能仪表及通信接口的选择和相关参数设置等进行初始化配置，减少对软件代码的改动，提高软件开发效率。 基于 RS485 通讯智能仪表数据采集系统的设计 6 第三章 数据采集系统的的总体设计 3.1 数据采集系统的方案设计 数据采集是指将模拟量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采 集系统 8。 数据采集 18是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径
24、。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。 任何一个系统，其整体设计的合理与否，从用户的角度上来说，关系着操作的方便程度，系统性能的优劣等；从软件开发人员的角度来讲，合理化的整体设计有助于软件详细设计和编程的实现，优化系统硬件资源配置 10。 数据采集系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分如下图： 图 3-1 数据采集系统的总体设计硬件部分 如上图，我要实现的是编写 PLC的程序，通过 RS-485并线来实现对仪表 1、仪表 2、 . 、仪表 8这 8个温控表的数据采集以及进行相关的温度控制。然后用组态软件“组态王”对该系统组态画面，用于更直观的控制这 8个温控表。由于我采用的永宏 PLC（ FBS-32MA）支持 RS-232通讯端口，连接 PLC和工控机用一根 RS-232连接线即可。
