1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） RS-485 总线现场监测系统的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看 作 是一个由数字通信设备 和监测监控设备组成的分布式系统。实际上，现场总线 也可以认为是 一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化 的 设备。现场总线 是 由网络通信、对象字典 、 功能模块和设备描述、系统管理 、 网络管理、系统管理等部分组成。 RS-485 总线具有结构简单、成本低廉、软件支持丰富、安装方便等特点。
2、并且大多数现场仪表都有 RS-485 总线接口，采用该总线可开发一些对实时性要求不太高的中、小型测控系统。 本文是以一个 PC 机作为主控机，多个单片机作为从机构成的 RS485 总线现场监测系统的设计。首先，对单片机的发展情况作了简单的 介绍。其次，重点介绍了对此系统硬件和软件的分析设计，包括对重要原件和各部分的电路介绍， 绘制了电路原理图，给出了主要程序的流程图。 关键词： 单片机， RS485 总线，现场监测 II Design of field Monitor System on RS-485 bus Abstract Fieldbus is an digital communicat
3、ion protocol of Internet-site automation and control systems two-way. A field bus system can be regarded as a distributed system consist of a digital communication equipment and monitoring and control equipment. In fact, the field bus can be thought of as a computer network, each node of the network
4、 is an intelligent device. Fieldbus is a network communication consist of object dictionary, functional modules and device description, system management, network management, systems management and other components. Fieldbus consist by network communication, object dictionary, functional modules and
5、 device description, system management, network management, systems management and other components. RS-485 bus has the characteristic such as simple structure, low cost, software support rich, and convenient installation. And most field instruments have RS-485 bus interface,The bus can be developed
6、 using some of the real-time requirements which is not too high or small control system. This article is the design what is RS-485 bus field Monitor systembased cosist of a PC computer as the host computer and a number of Multiple MCU as slaves.First, introducing the development of SCM briefly.Secon
7、dly, this article focuses on analysis and design of hardware and software,Including descriptions of important components and each part of the circuit,draws the circuit diagrams, shows the flow chart of main program. Key words： SCM RS-485 Fieldbus III 目录 摘 要 . III Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 RS-485总线的
8、介绍 . 1 1.2 单片机的介绍 . 2 1.3通信方式的选择 . 3 1.4现场总线在国内外发展现状 . 3 2方案与总体设计 . 6 2.1 RS-485现场总线监测系统的总体设计 . 6 2.2系统结构 . 7 2.3 RS-485芯片的选取 . 7 2.4 由 MAX481 构成的 485总线总线网络 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 232/485转接卡 . 9 3.2 带有 485 接口的单片机系统 . 10 4 软件设计 . 11 4.1通信过程 . 11 4.2通信协议的设计 . 12 4.3主控机接口通信软件流程图 . 12 4.4从控机接口通信软件流程图 . 14 结
9、论 . 16 参考文献 . 17 致谢 . 18 附录 . 19 附录 参数设置与主程序代码 . 19 RS-485 现场总线监测系统的设计 1 1 绪论 1.1 RS-485 总线的介绍 随着数字控制技术的发展，由单片机构成的控制系统也日益复杂。在一些要求响应速度快、实时性强、空置量多的应用场合，单个单片机构成的系统往往难以胜任。这时，由多个单片机结合 PC 机组成分布式系统成为一个比较好的解决方案。在这样的分布式系统中，可以使用 RS-232接口连接 PC机和单片机，但由于 RS-232 接口标准存在传输速率慢、传送距离短的缺点，很多时候无法满足偶那个也应用中多机系统的通信要求，因此实际应
10、用中经常使用的是 RS-485 接口标准 1。 对于工业领域， 现场总线（ Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视 。 RS-485总线在工业应用中具有十分重要的地位。 RS-485协议是 RS-232协议的替代标准，与传统的 RS-232 协议相比，其在通信速率、传输距离、多机连 接等方面均有了非常大的提高，这也是工业系统 中使用 RS-485 总线的
11、主要原因。由于 RS-485 总线是 RS-232 总线的改良和提高，这也是工业系统中使用 RS-485接口芯片来提供接收器、发送器选通的功能的 原因，为 RS-232 总线系统设计的软件部分完全可以不加修改直接应用到 RS-485 网络中 2。 RS-485 总线工业应用成熟，而且大量的已有工业设备均提供 RS-485接口。 RS-485 是一种多发送器的电路标准，它扩展了 RS-422A 的性能。在同一个RS-485网络中，可以有多达 32个模块，这些模块可以是被动发送器、接收器、或收发器。 RS-485 电路允许公用电话线通信。电路结构是在平衡电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接
12、收器或收发器。 1.2 单片机的介绍 单片机是全程单片机微型计算机，顾名思义，它是一种单硅片上集成微型计算机主要功能部件的集成芯片。单片机的出现要归功于大规模集成电路技术的发展，就组成和功能而言，它正如一个微型计算机系统，内部集成了中央处理器（ CPU）、随机数据储存器（ RAM）、只读程序存储器（ ROM）、定时器 /计数器、RS-485 现场总线监测系统的设计 2 输入 /输出（ I/O）接口电路和串行通信接口等主要功能部件。 1970 年，微型计算机研究成功以后，单片机就随之出现了。 Intel 公司于 1971年推出了 4 位单 片机 4004，并于 1972 年推出了雏形 8 位单片
13、机 8008.1976 年，Intel 公司首先推出了能称为单片机的 MCS-48 系列单片机微型计算机，它以体积小、功能全、价格低等特点，获得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展进程中的一个重要阶段。 单片机发展历史可分为四个阶段 3： 第一阶段（ 1974 年 976 年）：单片机初级阶段。单片机因工艺限制只能采用双片的形式，而且功能比较简单。例如，仙童公司生产的 F8 单片机，实际上只包括了 8 位 CPU、 2 个并行口和 64B RAM，还需要加 1 块 3851（由 2 个并行 I/O 和 1KB ROM、定时器 /计数器构成）才能组成 1 台全功能计算机。 第二
14、阶段（ 1976 年 1978 年），低性能单片机阶段。以 Intel 公司制造的MCS-48 单片机为代表，这种单片机内集成有 8 位 CPU、 8 位定时器 /计数器、并行 I/O 口、 ROM 和 RAM 等，但是中断处理比较简单，无串行口，片内 RAM 和ROM 寻址范围不大于 4KB 且容量比较小。 第三阶段（ 1978 年 现在）：高性能单片机阶段。此阶段开发的单片机普遍带有 16 位定时器 /计数器，串行 I/O 口，片内 ROM、 RAM 容量加大，多级中断系统，寻址范 围可达 64KB，有的片内还带有 A/D 转换器。这类单片机的典型代表是： Zilog 公司的 Z8、 I
15、ntel 公司的 MCS-51 系列和 Motorola 公司的 801 等。这类单片机仍被广泛应用，以其性能价格比高的特点是目前应用数量较多的单片机。 第四阶段（ 1982 现在）； 32 位单片机、 8 位单片机巩固发展及 6 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面不断完善高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要；另一方面发展 16 位单片机、 32 位单片机及专用型单片机。 16 位单片机的典型产品如 Intel 公司生产的 MCS-96 系 列单片机，其主振位12M HZ,片内 RAM 为 232B， ROM 为 8KB，集成度已达 120 000 管子 /片，处理为
16、8 级，而且中断处理为 8 级，高速输入 /输出部件（ HIS/HSO）和片内带有多通道 10 位 A/D 转换器，实时处理的能力很强。而 32 位单片机除了具有更高的集成度外，其主振已达 20MHZ，这使 32 位单片机的数据处理速度比 16 位单片机提高许多，性能比 8 位、 16 位单片机更加优越。 RS-485 现场总线监测系统的设计 3 1.3 通信方式的选择 单片机因其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。而PC 则因其丰富的软硬件资源被广泛应用 于网络监控系统。我们通常以一台 PC机与多台单片机组成网络监控系统。 单片机与微机机之间以 RS-232 通信最为普遍，微
17、机对外的两个串口COM1,COM2 都是专门为 RS-232 通信而设置的。 RS-232 的通信方式比较方便，但它也有一些缺点。例如 RS-232 只能实现短距离通信，通常只有十余米，要实现长距离通信还得依赖于调制解调器 4。而 RS-232 对地面而言是共模传输方式，而各种电器干扰大多也是对地共模方式，尽管 RS-232 将信号传输电平提高到 -12 V+12 V，但抗干扰能力仍不理想。 RS-485 通信方式 比 RS-232 相比有很多优点，首先它的通信距离比 RS-232要远的多，通常可以做到数百米甚至千米以上，而且还可以实现多点通信方式，从而可以建立一个小范围内的局域网，因而更有实
18、用价值 4。 RS-485 采用差模信号传输方式，与地电平关系不大，因而它抗干扰能力比 RS-232 强的很多。即便在信号电压比较小的情况下也能获得稳定的传输。 在数据采集和工业控制中多以单片机为基础，在我国多用 MCS-51 系列单片机。由于计算机上的 RS-232 协议所传输的距离不能超过 30m，所以如果要在远距离数据传输和控制的话，就要将 RS-232 转换为 RS-485 协议进行远距离传输，这个转换多是通过使用 RS-232/485 转换器来实现的。在单片机端通过相应的RS-485 转换芯片将 485 信号转换成单片机需要的串口信号，本次设计我采用 MAX41 芯片。 RS-485
19、 协议对数据传送来说是透明的，所以计算机和单片机的通信程序方面和不用 RS-485 协议时几乎是一样的。 PC 机与单片机一般采用应答方式通信，当 PC 机控制多个单片机终端时， PC 机发送一个地址帧选中一个终端，再对选中的终端进行一对一的通信，实现这种通信方式需要对发送帧的格式和单片机端的相应寄存器进 行相关设置 1.4 现场总线技术在国内外发展现状 目前 ,美国和欧洲等发达国家和地区的现场总线发展 十分迅速 ,并产生了较多的应用范例。正处于现场总线技术开发的初 级阶段的中国 ,要面对国外各路总线进军中国的挑战 ,尤其是中国加入 WTO以后 。因此，有许多需要深入分析思考的问题，诸如如何迎
20、接挑战 ,以及最大限度地跟上国际技术发展的步伐 。在亚洲远东地区的许多大学和科研机构 ,正利用他们自身的科学条件帮助用户们认识与理解现场总线技术。首先 ,从市场发展角度分析 ,全球工业自动化市场需求会RS-485 现场总线监测系统的设计 4 快速增长 ,预计 2001 年的 市场销售额将增加到 559 亿美元 ,到 2006 年将达到 700 亿美元 ,年增长率将达到 4. 6 % 。这说明工业自动化市场发展空间广阔。另据 1999 年 3 月 12 日 VDC (COURTESY OFVENTURE DEVELOPMENT) 公司对 2003 年工业分散和远程 I/ O 产品的世界市场和用户
21、需求发展的分析预测 ,未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的 总线和网络产品上。 PROFIBUS 和AS -占 25 % , ETHERNET 占 22 % ,AB REMOTE I/ O 和 DEVICENET 、 CONTROLNET 占 21 % ,FF 占 8 % ,其它占 24 % 。可见 ,研究多总线技术、发展多总线产品有市场基础。 RS-485是 RS-422A的变形。 RS-422A 为全双工工作方式，可以同时发送和接受数据，而 RS-485 则为半双工工作方式。在某一时刻，一个发送另一个接受。 80 年代后期，从网络通信技术中诞生了现场总线技术，经过十几年的开发和研究，
22、国际上出现了以下几个有时代代表性的现场总线标准和产品，较流行的有 11： （ 1）基金会现场总线 (foundation fieldbus) 多种企业集团或组织在现场总线标准的研究制订过程中，通过不断的竞争，到 1994 年，在国际上基本上分化为两大阵营，一个是以 Honeywell 公司领导，联合欧洲 150 多家公司制订的 World FIP 协议；另一个是以 Fisher-Rosemount公司为首，联合 Foxboro、横河、 ABB、西门子等 80 家公司制订的 ISP 协议；。并于 1994 年合并，成立了致力于开发国际上统一的现场总线协议的现场总线基金会 (Fieldbus Fo
23、undation,FF)。 FF 的体系结构参照 ISO/OSI 模型的第 1 层、第 2层以及第 7层协 议，即应用层、物理层和数据链路层，另外增设了用户层。FF 提供 H1 和 H2两种物理标准。 H1 传输距离有 200m、 400m、 1200m 和 1900m 四种，传输速率为 31.25kbps,为用于过程控制的低速总线。 H2通信距离分别为 750m和 500m，传输速率可为 1Mbps 和 2.5Mbps 两种。协议符合 IEC1158-2 标准，物理传输介质可支持光纤、同轴电缆和双绞线。 （ 2） Profibus 现场总线 它的现场总线标准是作为欧洲国家标准。该项技术是由西
24、门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用数据链路层、 OSI模型的物理层。分散化的外围设备 (DP)型为增加了直接数据连接拟合作为用户接口，隐去了第 3层至第 7层；而现场总线信息规范 (FMS)型则采用了应用层，只隐去第三至第六层。过程自动化 (PA)型的标准目前还处于制定过程之中。其传输距离为 100m和 400m，最大传输速率为 12Mbps,传输介质可以是光缆，也可以是双绞线，最多可挂接 127个站点。 （ 3） LonWork(Local Operating Network 局部操作网 ) 美国 Echelon 公司于 1990 年正式推出的现场总线。它采用了面向对象的
25、设RS-485 现场总线监测系统的设计 5 计方法，采用 ISO/OSI 模型的全部 7层协议，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其传输距离为 2700m，最大传输速率为 1.5Mbps,传输介质可以是射频、双绞线、红外线、电力线和光缆等。采用被封装在 Neuron芯片中的 LonTalk协议，内含三个 8位微处理器，一个负责网络处理，一个负责应用处理，一个负责介质访问控制。 （ 4）控制局域网 (Control Area Network， CAN) 德国 BOSCH公司最早推出控制网络，用于汽车执行部件与内部测量之间的数据通信， CAN结构模型取 ISO/OSI模型的第 1、 2、
26、7层 协议，即应用层、数据链路层和物理层。通信距离最远可达 10000m，通信速率最高可达 1Mbps。物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接 110个设备。 SDS智能分布式系统是我国华控技术公司基于 CAN 协议开发的；和利时公司开发的 HS2000 系统的内部网络就是应用 CAN。 可寻址远程传感器数据公路 (Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国 Rosemount 公司最早推出的一种调制数字信号的现场总线和兼容 4 20 mA 模拟信号的协议。成为模拟系统向数字系统转 变过程中的过渡产品，其数字通信由于采用调制 /解调方式
27、，因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展 14。RS-485 现场总线监测系统的设计 6 2 设备方案设计与总体设计 2.1 RS-485 现场总线监测系统的总体设计 图 2-1单片机 485总线现场监测系统功能示意图 本次设计是以一个 PC 机作为主控机，多个单片机作为从机构成的 485 总线现场监测系统。单片机组成的各个节点负责采集终端设备的状态信息，主控机以轮询的方式向各个节点或者这些设备信息，并更具信息内容进行相关的操作。 系统 的通信总线以使用 RS-485 标准，可以获得较远的通信距离和较好的抗干扰性。 如图 2-1所示，整个系统分为 3个部分。 1.主控制部分 该
28、部分由 PC 机和 232/485 转接设备构成，它负责轮询各个节点以获取信息。由于 PC机不具备 485 接口，所以必须通过 232/485 转接卡。 2.数据采集部分 该部分是一个具有 485 接口的单片机系统，它响应主控机发送来的查询命令将被监测的设备的状态信息回送给主控机，位于各个终端设备处。它的单片机的 I/O口与被监测的终端设备相连，以获取所需状态信息。 3.终端设备 该部分是被检测的设 备，一般为带有传感器的各种具体机器设备。 终端设备 主控机 终端设备 单片机系统 485 接口 单片机系统 485 接口 232/485转接卡 节点 N RS-232 RS-485 总线 终端设 备 单片机系统 485 接口 节点 1 节点 2
