RS485总线集线器设计开题报告.docx

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RS485总线集线器设计开题报告

开题报告

电子信息工程

RS485总线集线器设计

1选题的背景、意义

1.1RS-485总线的应用

在工业控制设备之间中长距离通信的诸多方案中，RS-485系统总线因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动测控等领域。

由于RS-485是基于差分信号传送的串行通信协议，使得它的抗干扰能力强。

RS485总线应用广泛，特别在国内具有很强的影响力。

目前许多厂家生产的设备大多提供接口，并以此为标准。

例如许多集中式水表采集器、集中式电表生产厂家的产品都内置RS458芯片，提供信号输出接口。

现在新开发的各种产品，厂家还是习惯于沿用这种标准。

其次，与应用普遍且为计算机标准配置的接口的转换器或设备十分常见和通用，这更增加了总线的应用广泛性。

总线技术实现成本低廉，传输距离较远，通讯可靠，抗干扰能力强，可实现多点通一讯现在的通用技术已可以带到个节点。

另外，这一标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因此较其它标准更具有灵活性[7]。

RS-485通信接口所组成的网络是工业控制及测量领域较为常用的物理层网络。

RS-485具有物理连接方便、抗干扰能力强、传输距离远等特点,采用这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。

由于RS-485通信接口控制芯片的成本低廉且技术成熟,所以现在许多仪表生产厂商都可以开发出支持RS-485通信接口的仪表,并通过这个接口实现多个仪表的组网及数据上传功能。

对于RS-485通信接口的应用大体可分成以下三个方面[9]:

（1）特殊用途测量仪表。

由于现在的专用测量仪表已逐步智能化,其检测输出的信号不再是一个单一的值,采用通常的4~20mA的电流信号已不能满足数据传输的要求。

（2）智能数据采集I/O模块。

在工控机测控系统中,随着技术的发展数据采集I/O模块已得到了越来越广泛的应用。

但这些I/O模块的输入输出通道和数据转换模式一般是固定的,所以在一个工控系统必然会用到多个I/O模块,这就要求在工控系统中能够使用一台工控计算机同时与多个I/O模块实现数据传输。

而RS-485通信接口就成为许多智能模块厂商所采用的通信方式。

（3）智能控制器及变频器等。

现在的工业自动控制系统中大量地采用了智能调节仪实现回路的调节控制,而变频器的应用也越来越广泛。

要实现对这些设备的集中数据采集及管理控制,就要求这些设备具备数据通讯的功能。

而这些设备就利用RS-485通信接口将多个智能仪表组成网络实现与工控计算机的数据通讯,使得只占用很少工控机接口资源就可以管理尽可能多的设备[9]。

1.2论文的意义

RS-485总线的应用虽然广泛，但它在使用中却存在这许多不足之处。

因为在实际工程应用中如果没有RS-485总线集线器，会使RS-485总线的使用存在很大的局限性，这表现在传输距离、终端之间的相互影响、总线的负载能力、总线的拓扑结构等方面[3]。

下面将具体说明：

（1）传输距离的限制。

理论上，当总线传输速率低于100Kb/s时RS-485的有效传输距离可以达到1200M[2]。

但在工程应用中实际传输距离远远达不到这个标准，即使信号可以传输到这个距离，但波形也会产生失真，信号会出现漏码、误码的现象，导致接收到的信号不可靠。

总线的传输距离与多方面的因素有关，包括传输导线双绞线的密度、线间电容、导线的粗细、总线上负载的数量、发送信号的幅度和传输波特率等因素。

因此在长距离传输时应当加装RS-485中继器，其作用是在信号尚未衰减失真之前，将信号正确接收后然后转发出去，达到使总线传输距离增加一倍的效果。

（2）终端之间的相互影响。

RS-485协议规定，所有的RS-485终端设备，无论发送器还是接收器都应当并行地挂接在总线上。

如果某个终端的收发器出现损坏，导致数据线A、B端之间发生短路，那么总线上的所有终端将无法进行通信。

因此在多终端的情况下，终端之间要求分段隔离，互不影响。

这样，提高了总线的稳定性，减少了故障的发生。

（3）终端数量的扩展。

RS-485驱动器的驱动能力是有限的。

当总线上挂接的终端过多、负载过重以至于传输的信号幅度降低到200mV以下时，接收器将无法正确识别信号。

（4）RS-485总线拓扑结构。

RS-485协议采用线性总线结构作为网络拓扑，终端支线的长度不应超过2M。

然而，在实际情况中可能会发生终端所处位置非常分散的情况，如果使用线性拓扑进行连接的话，连接线将变得很长，使得工程应用中有些终端的支线长度远远超过2M。

且支线上还可能挂接有多个终端，网络拓扑并非严格的线性总线结构，而是呈现出星形或者线性与星形相结合情况。

这就造成了传输线阻抗不连续，信号传输时会出现反射现象，从而影响信号的正确传输。

本课题的任务就是设计一个485总线的集线器。

它可以有效的解决以上出现的几个问题。

RS-485集线器的作用是将一路485信号分为多路输出。

RS-485集线器的设计和功能可以使它一机多用，它既可以作为延长通信距离的RS-485中继器，也可以作为信号隔离器，又可以作为终端数量扩展器，还可以使RS-485网络拓扑成星型结构以满足建网需求。

理论上，在RS-485总线上使用集线器，可以弥补RS-485的不足。

2相关研究的最新成果及动态

2.1485总线集线器的应用

485集线器在国内外应用普遍，研究成果很多。

其技术、方法各异，所达到的目标和要求也有所不同。

国外起步较早，某些地区在此领域己制订了相关行业标准，技术也较先进，并不断地开发新技术。

485技术在80年代开始进入我国。

RS-485标准通常作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。

同时，RS-485电路具有控制方便、成本低廉等优点。

RS-485标准作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。

目前，在我国的自动化监控、安全防护、门禁考勤及工业自动化系统中得到迅速普及和应用。

目前，我国的485集线器应用已比较普遍，现有的485集线器的生产厂商很多。

485集线器大都提供星型RS-485总线。

各端均具有短路、开路保护。

用户可以轻易的改善RS-485总线结构，分割网段，提高通信可靠性。

当雷击或者设备故障产生时，出现问题的网段将被隔离，以确保其他网段的正常工作。

大大提高了现有网络的可靠性，有效缩短了网络的维护时间。

下面是一个实际中的应用：

假设在某智能楼宇工程当中，其中的所有设备都采用485接口与电脑进行通讯，但是在现场施工当中，发现如果按照原先的单纯485总线的施工的话，就会出现一些问题：

1.由于智能楼宇工程中要求的功能越来越多，所以其中的设备也越来越多，但是原有的485转换器并不能带这么多的设备。

2.由于485总线的特点，一旦总线上有一个设备出现问题的话，会导致整个总线出现问题，从而导致整个系统崩溃[14]。

　　针对这种情况，使用485集线器可以很好的解决这个问题，利用485光隔离集线器的将单个485总线分割成多个485总线的特性，将每层楼区隔成一个485总线，从而可以带比原先更多的485设备，而且一旦一个总线上有485设备发生问题，也可以将其区隔，从而只是影响一层楼，而不是导致整个系统的崩溃。

效果如图1所示。

图1

该系统在使用485总线集线器之后，使每一层的485总线相互独立，大大提高了485总线的稳定性。

并在以后的维护中提供了极大的方便。

2.2最新成果

  RS-485集线器是一款专为解决复杂的电磁场环境下RS-485总线大系统要求而设计的RS-485总线分割集中器（485hub）。

可以提供更加灵活的RS-485星型总线结构RS-485接口输入、输出端均采用独立驱动方式，改变原有总线的单一式结构为星型网络结构，可以给工程建设及系统的稳定性带来极大的好处[13]。

  产品特点：

  工业级光电隔离：

为所有的RS-485接口提供3KV以上的光电隔离，有效的解决了外界雷击浪涌和地电位差带来的传输问题[13]。

　短路开路保护：

具有RS-485端口故障告警功能，并能自动切掉故障端口，这种设计能够保证当其中连接的RS-485端口设备发生故障时，出现问题的RS-485端口将被隔离，以确保其他网段的设备正常工作。

　星形连接：

提供更加灵活的RS-485星型总线结构RS-485接口输入、输出端均采用独立驱动方式，改变原有总线的单一式结构为网络结构给工程建设及系统的稳定性带来极大的好处。

　数据流向自动控制：

通过硬件解决数据流向问题，自动判别和控制数据传输方向。

　技术参数：

接口特性：

串口符合EIARS-232/485协议

电气接口:

串口接口位接线端子

传输介质：

超五类双绞屏蔽线或者485专用线

工作方式：

异步工作,点对点或多点,2线半双工

隔离度：

隔离电压3000V

传输距离：

RS-485端1200米,RS-232端建议不超过5米

尺寸：

120L*80W*25.5H毫米（带接线端子尺寸：

140L*105W*25.5H毫米）

使用环境：

温度：

-20℃－60℃，湿度：

5％—95％

传输速率：

300bps—115200bps

保护等级：

  应用领域：

  用于点对点、点对多点通讯、工业控制自动化、道路交通控制自动化、智能卡、考勤、门禁、售饭系统、工业集散分布系统、闭路监控、安防系统、POS系统、楼宇自控系统、自助银行系统[14]。

2.3发展趋势

随着RS485总线在工业控制中的广泛应用，485总线系统原来越大，越来越复杂。

如果连接成树型或星型，就会影响总线通信效果，使得485总线的稳定性也越来越差。

引入485集线器可以很好的解决这个问题。

未来，485集线器应用于485总线的系统将会得到越来越广泛的应用。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

3.1研究内容

由于485总线在应用中的不足，设计一个RS485总线集线器，就能满足485总线的树型或星型连接的需求，并能保证总线的通信质量及其稳定性。

通常，RS-485集线器的设计为单片机控制的方案，它将总线上的数据接收下来，再发送到其他线路上，这种方法一般对资源的要求较高。

本设计将是一个纯硬件的方案，虽然难度降低了，资源也减少了，但它能满足使用上的一般要求，是个较为经济的方案。

3.2技术路线

基于485芯片的特性，使用纯硬件设计的方法，其主要内容如下：

1.485接口电路设计；

2.中继和转发机制设计；

3.电源电路设计；

4.整机功耗控制。

5.时序分析

6.原理图绘制

7.PCB绘制

8.实际做板

9.测试，得出结论

3.3研究难点

1.电路的设计

2.稳定性和功耗的控制

3.4预期目标

完成设计要求，成功设计一个RS485总线集线器，在测试后使用正常。

并在实际中能安全使用，可以解决RS-485总线在使用中的问题。

4研究工作详细工作进度和安排

2010.11.20-2011.1.10 前完成文献综述，外文翻译

2011.3.5前完成开题报告

2011.3.8-3.19完成论文大纲，并完成原理性内容（485总线原理、总线分支或集线设备的基本原理和可能的实现方式等）选定设计方案

2011.3.21-3.25完成protel原理图设计，同时对所用器件进行采购查询

2011.3.28-4.1完成对原理图的电路模拟

2011.4.4-4.7从原理图导出网络表，完成PCB图设计

2011.4.8-4.19实际做板，并完成PCB焊接

2011.4.20-4.31完成调试

2011.5.1-2.10 前完成设计初稿

2011.5.10 -5.20前设计定稿

2011.5.27开始答辩

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