1、 毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 IS-485 总线现场监测系统的设计 1 前言部分 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，因此实际应用中经常使用的是 RS-485 接口标准 RS-485 总线在工业应用中具有十分重要的地位。
2、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接口芯片提供的接收器、发送器选通的功能， 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。 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。 早在八十年代中期起，随着多主的 VME 总线以及实时多用户的 UNIX 操作系统等计算机
3、和 CRT （彩色显色器）技术的飞速发展， DCS 出现了控制站双机冗余、一个操作站多个 CRT 操作终端、有专门的 I/O 子系统等特点，将可靠性提高到能消除用户心理障碍的程度，并大大提 高了可操作性。使 DCS 得到广泛应用，尤其是在车间一级的就用。 九十年代，由于超大规模集成电路、标准化的 数据通讯链路和通讯网络技术等的发展，传感器技术、通信技术和计算机技 术的发展 ,传统的集散 式控制系统 DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM) 日益显露出它的不足 ,如无法监控现场仪表及设备、分散化不足、需要大量信号 电缆等。因此出现了现行的“第三代” DCS，并在获得了广泛
4、使用的同时，不断完善。最 终应具备的主要特点是：系统具有开放性能；人机接口功能更强；引入 体 现 CEI（计算机仪器仪表电机电器）一体化思想的现场总线。 今天随着 DCS 技术的进一步发展，开放性 DCS 系统实现了多层计算机网络构成的管控一体化，同层次的各站之间以及各 层次之间的信息和数据的交换都是通过数字化通信来实现的。但是做为 DCS 最基层的众多现场仪表和现场控制站之间的信息和数据仍是采用传统的沿独立导线 传输的 420MA DC 信号。这不仅大大削弱了 DCS 系统的信息量优势，而且现场仪表的功能也远 远没有发挥出现。于整个系统很不相配，已经严重影响了 DCS 的发展。 1985 年
5、，国际电工委员会（ IEC）和美国仪表协会（ ISA）的 SP50 委员会一起，开始制定用于微处理器为基础的现场仪表和数字控制系统之间进行数字 的国际性标准，并将其命名为“现场总线”（ FIELD BUS）。 现场总线的出现 ,将变革传统的模拟仪表和 DCS 系 统。它的显著特征体现在以下三个 方面 : 1)数字通信。传统的模拟仪表采用 0 10MA 、 4 20MA 直流电流信号 ,15V 直流电 压信号等。由于模拟信号的传递需要一对一的 物理连接 ,信号变换缓慢 ,信号抗干扰能力也 较差。为此 ,采用各种抗干扰和提高精度的措施 ,则开销较大 ,增加了成本。而采用数字信 号传输 ,一对传输线
6、可以挂接多台仪表 ,而且双向传输多个信号。这样安装费用低、维 护容 易。若要增加现场设备数 ,只需并行挂接在电缆上即可。另外 ,采用数字信号传输抗干扰能 力强、精度高 ,无需采用抗干扰和 提高精度的措施 ,从而减少了开销。 2)开放性。传统的 DCS 系统中 ,通信由专用网络的封闭系统来实现 ,各厂家的产品自 成系统 ,不同厂家的设备不能互连在一起 ,难以实现互连与互操作。而现场总线为开放式互 连网络 ,用户可以自由集成不同制造商的产品 ,实现“即接即用”。可以与同层网络互连 ,也可与不同层网络互连。而且 ,用户可以非常方便地共享网络数据库。故而 ,现场总线将 DCS 基于封闭、专用的解决方案
7、变成了基于公开标准化的解决方案。 3）分散性。现场总线将控制功能彻底下放到现 场 ,通过现场仪表就可以构成 控制回 路。把 DCS 集中与分散相结合的集散系统结构 ,变成了新型全分布式结构 ,这样提高了系 统的可靠性、灵活性。 2 主题部分 对于 IT 领域而言， 2004 年注定将是载入计算机发展史的一年。在这一 年里，第三代总线技术规格 PCI-EXPRESS （ PCI- E）终于闯入了人们的视野，虽然没有出现业内人士预测的 PCI-E 总线将大规模取代 AGP 总线规格的局面，但它的出现依然带给了翘首 期盼者无限惊喜。 对于工业领域， 现场总线（ Fieldbus）是近年来迅速发展起来
8、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 。 国际统一的现场总线标准是现场总线发展的关键，但是到目前为止，还没有一个完整的国际统一标准。从 1985 年 IEC/SP50 组织开始着手现场总线标准起，它已经陆续公布了一系列标准和规约，得到世界范围内的普遍认可，被认为是现场总线标准制定的国际权威机构。 IEC/ SP50 采用 ISO/OSI （国际标 准化组织的开放系统互连）参考模型的七层结
9、构中的物理层、链路层、应用层，另外还增加用户层，构成四层结构的现场总线。 1993 年通过了其中的物理层标准，随后又通过了链路层标准，主要内容包括剖腹术的 H1 总线、 H2 总线以及传输媒介的情况，工作电压和电流等。 早在 1984 年美国 INTEL 计算机公司就提出了一种计算机分布式控制系 统BITBUS ,当时 不叫现场总线。它将过程级 I/ O 板拿到现场 ,计算机和过程级之间以及双绞线 RS - 485 为 物理传输媒体 ,在主体硬件部分 ,借助于 INTEL 公 司生产的 RUPI - 44 系列单片机。 在 80 年代初 ,德国 BOSCH 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试
10、仪器之间 的数据交 换而开发了一种串行数据通信协议 ,即 CAN 总线。 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK) 控制局域网 是用于各种自动化设备之间数据传输的一种串行数 据通信协议。其网络结构采用了 ISO 的 OSI 模型中的物理层、数据链路层和应用层三个层 次。 CAN 总线现已成为国际标准化组织 ISO11898 标准。 RS-485 是串行数据接口标准，由电子工业协会制订并发布 的， 1983 年在RS-422 基础上制定了 RS-485 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，扩展了总线共模范
11、围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。 485 总线 必须采用国际上通行的屏蔽双绞线。我们推荐用的屏蔽双绞线的型号为 RVSP2*0.5（二芯屏蔽双绞线，每芯由 16 股的 0.2mm 的导线组成）。采用屏蔽双绞线有助于减少和消除两根 485 通信线之间产生的分布电容以及来自于通讯线周围产生的共模干扰。 485 通信线由两根双绞的线组成，它是通过 两根通信线之间的电压差的方式来传递信号，因此称之为差分电压传输。 差模干扰在两根信号线之间传输，属于对称性干扰。消除差模干扰的方法是在电路中增加一个偏值电阻 ,并采用双绞线 。 485 总线由于其布线简单，稳定可靠从而广泛的应用于视频监控，
12、门禁对讲，楼宇报警等各个领域中，但是，在 485 总线布线过程中由于有很多不完全准确的概念导致出现很多问题。现在将一些错误的观念作出一些澄清。 1.485 信号线可以和强电电源线一同走线。在实际施工当中，由于走线都是通过管线走的，施工方有的时候为了图方便，直接将 485 信号 线和电源线绑在一起，由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，从而导致 485 信号不稳定，导致通信不稳定。 2.485 信号线可以使用平行线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线。由于 485 信号是利用差模传输的，即由 485+与 485-的电压差来作为信号传输。如果外部有一个干扰源对其进行干扰，使用双绞线进行 485
13、 信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于 485+， 485-的干扰效果都是一样的，那电压差依然是不变的，对于 485 信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话，外部干扰源对于其的干扰影响也可 以尽可能的缩小。 3.选择使用普通的超五类屏蔽双绞线即网线就可以。由于原材料价格上涨，导致现在市场上的线材鱼龙混杂，有不良商人利用某种合金来顶替铜丝来做网线，在外面镀铜以蒙混客户。具体区别方法：看网线截面，如果是铜色的话，就是铜丝，如为白色，则是用合金以次充好。合金一般比较脆，容易断，而且导电性远不如铜丝，很容易在工程施工中造成问题。线材一般那建议选择标准的 485线，其为屏蔽双绞线
14、，传输线不是像网线那样为单股的铜丝，而是多股铜丝绞在一起形成一根线，从而即使某根小铜丝断掉，也不会影响整个的使用。 4.485 布线可以任意布设成星型接线与树形接线。 485 布线规范是必须要手牵手的布线，一旦没有借助 485 集线器和 485 中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方在 485 布线过程中，使用了星型接线和树形接线，有的时候整个系统非常稳定，但是有的时候则总是出现问题，又很难查找原因，一般都是由于不规范布线所引起的。如果由于现场的限制，必须要进行星型连接或者树形连接，可以使用深圳市富永通科技有限公司的 485 集线器和 485 中继器解
15、决相关问题，相关参考页面如下： 485 总线星型连接， 485 总线树 形拓扑结构。 5.485 总线必须要接地。在很多技术文档中，都提到 485 总线必须要接地，但是没有详细的提出如何接地。严格的说， 485 总线必须要单点可靠接地。单点就是整个 485 总线上只能是有一个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线（一般都是屏蔽线作地线）上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。可靠接地时整个 485 线路的地线必须要有良好的接触，从而保证电压一致，因为在实际施工中，为了接线方便，将线剪成多段再连接，但是没有将屏蔽线作良好的连接，从而使得其地线分成了多段，电压不能保持一致
16、，导致共模干扰。 目前 ,现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展 迅速 ,并已有较多的应用范例。在亚洲远东地区 ,许多大学和研究机构 ,正利用他们自身的条件帮助用户提高对现场总线技术的认识与理解。中国 正处于现场总线技术的初级阶段 ,因此 ,面对国外各路总线正以“八国联军”之势进军 中国 ,尤其是中国加入 WTO 以后 ,如何迎接挑战 ,最大限度地跟上国际技术发展的步伐 ,是必须深入分析思考的问题首先 ,从市场发展角度分析 ,全球工业自动化市场需求将快速增长 ,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 % 。
17、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。 其次 ,从应用环境角度分析 : (
18、 1) 目前过程工业和制造业等企业普遍采用的数据传递方式是模拟信号的在线检测与控制 的仪表和系统 ,这些系统基本无法接收来自现场仪表的数字信号 ,导致现场总线仪表很难在企业修配改项目中得 到应用。（ 2）现场总线技术的出现是自动化仪表与系统的 革命 ,既要开发现场总线的仪表 ,又要开发与之相适应的、开放的、多总线共存 的新型控制系统 FCS。否则 ,FCS 不利影响。（ 3）了解和掌握 这一技术的人群还很少 ,尤其是过程工业企业 ,对这种技术尚缺乏认识 ,要把现场总线产品推向市场 ,被用户所接受 ,还需要相当长的过程。因此 ,当务之急是帮助企业及用户提高对现场总线技 术的认识与理解 ,使现场总
19、线技术和产品的研究开发、生产与市 场需求同步。 第三 ,从技术角度分析 ,每种现场总线技术的发展与形成均有其渊源与 背景 , 如 WORLDFIP 是 ALSTOM 、 SCHNEIDER 等公司联合开发的 ,PROFIBUS 是MUNICH 、 SIEMENS 、 E + H 、 ABB 等 13 家公司和 5 家研究所联合开发的 ,并分为三个层次 ,即 FMS 、 DP 、 PA ,而 A - B/ ROCKWELL 将以前工厂到设备的五层结构简化为 ETHERNET（信息层） 、 CONTROLNET （控制层）、 DEVICENET（设备层）的三层结构 ,FF 是欧洲“总线战火”移向美
20、国、终由 FISHER - ROSEMOUNT 领头形成。在技术上各有千秋 ,应用领域各具优势。如 PROFIBUS 是从 PLC 发展而来 ,其特点是速度快 12MBP S ,特别适合工厂自动化、装配流水线和自动仓库等 ;FF 是在 DCS 基础上发展起来的 ,其特点是 智能程度高 ,实时性强 ,组态灵活 ,在过程自动控制上有优势 ;而 P - NET 在农业自动化有很好的前景 ,LON 更适合物业领域。据此 ,我们在发展多总线技术的同时 ,要把开发总线间接口放在重要位置 ,以实现多总线互连与互操作。 第四 ,从经济学角度分析 ,按“生态经济学”的观点 ,市场经济不是 DARWIN 主义的“
21、物竞天择”、“优胜劣汰” ,而是在竞争中与竞争对手的“共同进化”。科学技术的进步、经济的发展、学科间和经济类 型间不是孤立的 ,而是相互关联的 ,是生物链现象。现场总线技术的出现与发展 ,依赖于微处理器、数字 通信、计算机软件等技术的发展。钢、电、煤、化、油等 现代工业企业追求的综合自动化CIMS ,势必对现场信号的采集、传输、变换和处理提 出更高的要求 ,从而成为加速现场总线技术发展的一大动力。因此 ,各总线技术之间在竞争中进化、完善 ,学科间在交叉与合作中发展 ,用自动化技术装备资源、制造、过程、物业促 进这些工业的发展 ,反过来推只有这样才能缩短与美、日及欧洲等 发达国家的差距 ,形成能
22、与之抗衡的产业。 第五 ,从民族利益角度分析 ,在市场经济环境下 ,任何技术的发展都离不开市场的驱动 ,现场总线技术也不例外。世界 上无人怀疑中国是世界上最大的发展中国家 ,具有巨大的潜在市场。如石油、化工等连续过 程工业 ,汽车、摩托车等分离动作的断续工业 ,仓库、房地产等物流和物业管理工业 ,还有待开发的农业自动化、环保、节水、风能和水能的利用等 。同时政府仍在采取各种措施拉动市场需求。 3 总结部分 由于现代工业企业对自动化仪表和控制系统的 信号采集、传输、处理等在速度、精度和可靠性等方面要求不断提高 ,模拟信号传输与处理技术难以满足，出现了现场总线技术，并因此改革了将变革传统 的模拟仪
23、表和 DCS 系统。技术的改革必须要有一个国际约定 的国际化标准，许多这个领域的龙头产业和国 家商量并制定了初步的宗旨，并在逐渐完善。 从自动控制的方式看，数字信息构成的现场级信息网络必然要取代模拟传输信息。目前 ,现场总线技术在我国刚刚起步 ,而面对多个现场总线组织和多种现场总线并存的情况 。虽然 FF 宗旨是制定单一的国际现场总线标准 ,为 世界上任何一个制造商或用户提供现场总线标准 ,但其应用层和用户层尚在研究中。 现场总线技术的发明 ,对仪表、自动控制领域产生巨大的影响。现场总线标准将对传统的控制系统结构带来革命 ,开辟过程控制的新纪元。抓住机遇、迎接挑战 ,跟上国际的技术发展潮大力推
24、动我国现场总线技术发展 ,是缩短我国和发达国家在工控技术上的差距、摆脱落后局面的有利时机和必由之路。 4 参考文献 1王庆良，现场总线技术的发展及现状，中国新技术新产品， 2009 NO.19 2张占龙 文代刚，场总线技术及其发展综述，渝州大学学报 自然科学版 第 17 卷第 1 期 3魏庆福，现场总线的发展与我们的对策 J 机械与电子 ,1997,1 4邬宽明 CAN 总线系统设计中的几个问题 J 电子技术用 ,1998,9 5王锦标，现场总线控制系统 J 微计算机信息 ,1996,12 6王希之，关于现场总线 J 测控技术 ,1997 ,1 7 唐 怀 斌 ， 现 场 总 线 与 开 放
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