基于RS485网络的数据采集系统设计.docx
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基于RS485网络的数据采集系统设计
摘要
远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。
测控技术的现代化，已被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。
随着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，在现代远程测控领域中，各先进的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。
本文主要是介绍基于RS-485总线的网络控制系统，该系统由前端和后台两部分组成，前端包括温度采集器和电机控制器两个模块；而后台则是基于RS-485总线由PC机进行远程测控。
实现了对远程温度的检测传输和电机正反转控制。
整个系统具有结构简单、可靠性高、功能灵活多样、造价低廉等优点，可以应用于多种场所的各种远程测量控制。
关键词：
RS-485总线，温度采集器，电机控制器，远程测控技术，PC机
Abstract
Theremotemonitoringandcontroltechnologyisappliedwidelyinthemodernscienceandtechnology,theindustrialproductionandthenationaldefenseandinothervariousdomains.Theremotemonitoringandcontroltechnologymodernizationhasbeenrecognizedastheimportantconditionandtheclearindicationofthescienceandtechnologyandtheproductionmodernization.Alongwiththeincresingdevelopmentofthecomputertechnology,thecommunicationandtheelectronictechnology,inthemodernremotemonitoringandcontroldomainthereareallkindsofadvancedmonitoringandcontroltechnologyandequipmentandthelong-distancemeansofcommunication.ThisarticlemainlyintoducesbusnetworkcontrolsystembasedontheRS-485,.Thesystemiscomposedbyfrontendandthebackstagetwoparts.Frontendincludestemperaturegatheringandelectricalmachinerycontrollertwomodules;ButthebackstagecarriedontheremotemonitoringandcontrolbasedontheRS-485busbyPCmachine.Hasrealizedisreversingthecontroltothelong-distancetemperatureexaminationtransmissionandtheelectricalmachinery.Theoverallsystemhasthestructuresimply,thereliabilityhigh,thefunctionnimblediverse,theconstructioncostisinexpensiveandsoonthemerit,maybesupposedtouseinthemanykindsofplaceseachkindoflong-distancesurveycontrol.
Keywords:
RS-485bus,temperaturegathering,electricalmachinerycontroller,long-distanceobservationandcontroltechnology,PCmachine
第一章绪论
1.1课题背景及研究意义
随着我们的工业环境越来越复杂，工程师们在让这些设备和环境越来越复杂的同时，也不断的努力让它们越来越“简单”——流线型的装配、简单的人机交互。
正是他们对这个看似矛盾的理想的追求，才使我们今天出现了这么多的智能化设备。
上述这一切都离不开数据采集技术的发展，它是实现人机交互、状态监测、设备控制的基础。
随着电子工业的发展，尤其是PC的出现，大大的促进了工业自动化的程度，现在越来越多的设备实现了自动控制和无人职守，而这一切又促进了数据采集技术的发展。
在科学技术研究的各行各业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。
同时随着计算机数字通信技术及信息技术的发展，推动了自动化技术的进步；特别是近十年来兴起的总线技术，是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸，它的发展将促使自动化系统结构发生重大变革，总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照总线技术标准，自主开发具有特点及专有技术的产品。
依照总线技术规范，不同厂家产品可以方便完成组态与集成，构成面向行业、适合行业特点的自主控制系统。
这一特点为更多的自动化产品制造商自主开发并推出自主知识产权的自动化系统提供了可能。
也为自动化系统集成商开发面向行业应用的成套技术和自动化系统提供了机会。
总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。
基于现在流行的智能化设备和近些年来兴起的总线技术，我的设计课题是基于RS-485总线的网络测控系统，研究的就是这方面的基本知识。
1.2发展状况
从上个世纪90年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即测控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。
测控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。
早期的测控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行测控，并通过操作盘来进行集中式操作。
而计算机测控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。
在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。
在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。
由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型的设备。
随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的测控系统已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。
这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。
但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。
Internet能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。
远程测控是本地计算机通过网络系统如Internet/Intranet，对远端进行测控。
1.3方案确定
对于远程测控系统的设计而言，一般有：
应用专线的远程测控系统 ，利用公用电话网的远程测控系统，采用232/422/485总线，现场总线的远程通信，采用光纤通道的远程测控系统，基于Internet的远程测控系统 ，基于无线通信的远程测控系统这六种方案，由此可以知道这个系统的发展正逐步走向多功能化，由于各485总线的接线少，成本低，通信距离长，因此我的设计选择了基于RS485总线远程测控系统这个比较简单的方案。
1.4方案任务
设计基于RS-485总线的网络测控系统,完成对远端温度的测量和对远端电机的正反控制,有抗干扰的措施,保证数据传输的可靠。
（1）基于RS-485总线网络的测控系统设计
（2）测量温度电路设计
（3）报警电路设计
（4）控制电机正反转电路设计
（5）串行通信电路设计
第二章系统设计
2.1本方案电路介绍
随着串行通信的广泛应用，工业控制，数据通信等各方面都需要用到串行通信，因此本设计的目的也就在于此，然而RS-485是美国电器工业联合会制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准，它采用差分信号进行传输，最大传输距离可达1.2Km，最大可以连32个驱动器和收发器，接受器最小灵敏度可达到±200mv，最大传输速率可达到2.5Mb/s，因此RS-485正是高灵敏度，远距离，多点通讯制定的标准，因此本次设计选用RS-485串行通信标准。
基于RS-485的测控系统，分为软件和硬件两部分，我设计的是硬件部分，在硬件方面主要包括前端和后台部分。
前端包括温度采集器部分，包括传感器，放大器，A/D转换电路，单片机；电机控制器部分，包括电动机和单片机；后台是监控部分，包括MAX485，RS232/485转换器和PC机。
2.1.1原理描述
第一步完成温度采集器的设计，它主要是由与被测控对象相匹配的传感器，将对象的状态放大到合适放大倍数的放大器，将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器，和对数据进行处理的单片机组成；第二步是完成电机控制器的设计，它主要是由电机和控制电机的单片机组成；第三步是完成测控端的设计，基于RS-485总线进行数据的传输，然后我们采用了RS-232/485转换器进行电平的转换传送到PC机上，实现了对远端温度的测量和远端电机的控制。
2.1.2思路介绍
我的总体设计思路是该系统分为两分，第一部分是系统前端，该部分包括温度采集器和电机控制器两部分。
第二部分是系统后台，该部分包括RS-485网络，RS232/485转换器和PC机三部分。
温度采集器设计了信号采集模块，数据处理模块和数据传输模块。
信号采集模块是由模拟量输入部分、通道开关部分、放大部分3部分组成，其中，模拟量输入部分是用了温度传感器PT100，传感器是将被测的非电物理量转换为电量的一种装置，利用PT100的铂电阻的阻值随温度变化这一原理进行测量，然后通过电路设计把电阻转换成更加稳定更好处理的电压值进入通道开关；通道开关部分是选择了CD4051BC多路选择开关，由于需要与温度传感器PT100相匹配所以选择了多进一出的CD4051BC芯片，这种多路选择开关是3输入8通道的选择实现对于输入信号的选择；放大部分的放大倍数是由PT100温度和阻值关系来确定的，通过对所采集的电压信号进行一定值的放大得到比较合适的电压值进入A/D转换器。
数据处理模块是由A/D转换部分组成，其中A/D转换部分是将所采到的模拟电压值进行A/D转换成为数字电压值，这样才能送进单片机里进行处理，这里我们选择了0809芯片，该芯片是一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的A／D转换器，可以和温度传感器和单片机相匹配；数据传输模块是由单片机部分，存储器部分2部分组成，其中单片机部分是硬件电路的核心，这部分是想用C51完成的，这里我选择了的是型号为89C51的单片机和5045可编程看门狗监控E2PROM共同实现数据的传输，该部分可以完成输入通道的选择、采集的数据的处理、报警的控制、传输的设置，对波特率的控制，和对PC机的控制，另外为了更好的对远程温度进行测量我还设计了报警显示部分，其中针对所采信号超出温度传感器的报警上下限来设计的一个显示模块，电机控制器是通过单片机来控制电机的正反转。
整个系统用了单片机C51语言进行编写，后台用了VB编写，实现了可视化。
系统前端和后台是依据RS-485标准来实现串行通信的，通信的协议用的是昌晖公司内部的协议。
最后本设计采用到的芯片有温度传感器PT100，通道开关芯片4051，放大器LF353，A/D转换芯片0809，5045可编程看门狗监控E2PROM，传输芯片MAX485,RS232/485转换器和89C51单片机。
2.1.3实现方法
基于RS-485总线的网络测控系统首先完成的是硬件电路原理图的设计，硬件电路板的设计，制板和焊接，然后在完成软件程序的设计和调试。
这样便完成了整个系统的设计。
第三章硬件电路设计
3.1总体硬件结构组成
图3-1RS-485网络测控系统硬件方框图
3.2单机版测控系统的实现
图3-2单机版测控系统硬件方框图
3.3前端系统电路设计
3.3.1温度采集器设计
图3-3温度采集器模块框图
3.3.1.1信号采集模块
图3-4信号采集电路
1.温度传感器
本设计所选用的温度传感器是PT100。
那么Pt100工作原理及其主要技术参数如下：
Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：
（1）-200℃（1）
（2）0℃≤t≤850℃时，RPt100=100（1+At+Bt2）
式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；C=4.2735×10-12。
Pt100温度传感器的主要技术参数如下：
测量范围：
-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：
A级±（0.15＋0.002│t│），B级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：
热
电阻的最小置入深度≥200mm；允许通过的电流≤5mA。
另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
我们可以对照下表看。
表3-1PT100铂热电阻分度表
T℃
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
100.0
100.39
100.78
101.17
101.56
101.95
102.34
102.73
103.12
103.51
10
103.90
104.29
104.68
105.07
105.46
105.85
106.24
106.63
107.02
107.40
20
107.79
108.18
108.57
108.96
109.35
109.73
110.12
110.51
110.90
111.29
30
111.67
112.06
112.45
112.83
113.22
113.61
114.00
114.38
114.77
115.15
40
115.54
115.93
116.31
116.70
117.08
117.47
117.86
118.24
118.63
119.01
50
119.40
119.78
120.17
120.55
120.94
121.32
121.71
122.09
122.47
112.86
那么在这里，如图3-4所示，PT100的阻值范围为18.92~390.48（Ω），VCC=+5V，在本试验为了方便实现信号的采集，我们是不可能采集电阻值，而需要采集的是电压值，因为电压值更稳定更好处理，那么接下来关于该模块电路图的设计我们可以这样想：
由于10K远远大于390.48，因此可以形成一个类似于恒流源出来的电流I=U/R=5/10000=0.5mA，所以在这里选择10K,那么为什么要一个恒流源呢？
是因为此装置是需要把电阻转换成电压，在把电压转换到温度，所以有一个恒流源就可以使U=R*I的U和R成线形关系，这样就便于转换。
由于铂电阻的阻值比较小，因此考虑到线阻是必要的，但是本次设计采用理想的状态因此我们可以如下计算：
比如我们计算在20℃的时候：
从表中看到PT100的阻值为107.79Ω
那么U=0.0005*107.79=0.05389V
这样便可以得出通过温度传感器采得理想电压值.那么接下来之所以接的电阻阻值均为4.7K，是因为电流从VCC流出后会走RTD1,RTD2.RTD3然后流到地上，形成一个回路，这过程中便可以采到三点的电压值，由于限流的作用是为本实验的需要是只采电压值。
因此选择4.7K在这边是因为4.7K的作用就是限流。
2.通道开关
本设计所选用的通道开关是4051芯片。
由于智能仪器在检验和控制外部装置状态时，常常需要采用许多开关量作输入输出信号。
从原理上讲，开关信号的输入/输出比较简单。
这些信号只有开和关，通和断或者高电平和低电平两种状态，相当于二进制的0和1。
如果要控制某个执行器的工作状态，只须输出0和1，即可接通发光二极管，继电器或无触点开关的通/断，以实现诸如阀门的开启与关闭，超限声光报警或电动机的启动和停止。
对以单片机为核心的智能仪器而言，因其内部已具有并行I/O端口，有时可以直接检测和接收外界的开关量信号，但外界的开关量信号的电平幅度必须与单片机I/O接口的信号电平相符合，若不符，必须对其进行电平转换后，再输入到单片机的I/O口上，若要输出控制外部功率较大的开关设备，则应在输出通道中设计功率放大电路，以使输出信号能驱动这些设备。
单片机处理开关量信号必须有信号输入接口。
其电气接口形式比较多，常见的有TTL电平，CMOS电平，非标准电平，开关或继电器的触点等。
由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响，这些电平一般不能直接用来驱动外部设备，因此在开关量输入输出通道中须采用各种缓冲，放大，隔离和驱动电路等措施。
表3-24051真值表
INH
C
B
A
4051
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
*
*
*
NONE
从真值表中可以看出6脚INH必须接地，这样才会有选择，如果ABC取的值不同，则可以决定取X0-X7中的任意一脚。
因此4051芯片是通过地址线选择通道，是多进一出的一种芯片，由于PT100铂电阻的阻值比较小，我们是必要考虑到线阻，这样我们的可以模拟线阻通道进行测量，因此就有了多路模拟量输入，具体的说，针对本设计是3路模拟量输入，因此选择了4051多路转换开关。
图3-54051芯片引脚图
3.放大器部分
本设计所选用的放大器是LF353同相比例放大器。
放大器是信号处理的基本电路，其作用是将微弱信号增强（放大）到所需的数值。
放大器是由半导体三极管，电阻，电容及电源等元器件构成的二端口网络，其中输入端接信号源，输出端接负载。
放大的含义有两个，一方面是将微弱的电信号增强到人们所需的数值，另一方面是要求放大后的波形与放大前的波形相同或基本相同，即不失真的要求。
由于放大器的输出功率有所增强，而增强的功率不是来自于输入端的信号源，而是来自电路中的直流电源，因此，放大的实质是用较小的能量来控制较大的能量。
放大器的主要性能指标：
增益是衡量放大器放大能力的参数，定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比（称为放大倍数）。
输入电阻和输出电阻放大器的输入端要从信号源吸取电流，吸取电流的大小表明了放大器对信号源的影响程度，因此放大器的输入端呈现出阻抗特性，其等效阻抗就是放大器的输入阻抗，当信号频率不高不低时，输入电流与输入电压基本同相，可用输入电阻表示，定义为Vi/Ii=Ri。
Ri越大，放大器从信号源吸取的电流越小，输入端所得的电压Vi越接近信号源电压Vs，所以输入电阻是衡量放大器对信号源影响程度的参数。
而输出电阻Ro越小，放大器带负载前后的输出电压相差越小，即放大器受负载影响的程度越小，所以输出电阻是衡量放大器带负载能力的参数。
理想放大器的Ri=无穷，Ro=0
从信号的观点讲，运算放大器有三个端子，即反相出入端VN，同相输入端VP，和输出端VO，所谓反相输入端就是反相输入端输入（同相输入端接地），则输出信号在相位上与输入信号相位相反，那么同相输入端就是同相输入端输入（反相输入端接地），则输出信号在相位上也输入信号相位相同。
除了这三个端子还有两个电源端和频率补偿端和调零端.运算放大器最重要的特点就是对VP和VN的差模分量VID=VN-VP有很强的放大能力，而共模分量VIC却很弱。
一个理想运算放大器的输出仅仅影响差模信号.对于工作在线形区的理想运放，利用它的理想参数可以导出下面两条重要法则：
1，在线形区内，由于V0为有限值，而AVO趋于无穷，所以VID=VN-VP=VO/AVO约为0（VN约=VP）即理想运放两端间的电压为零，常称为虚短。
2，由于VID约=0，而ri趋于无穷，所以运放的输入电流Ii=VID/ri约为0，，即理想运放的两输入端不取用电流（但不是断开），一般称为虚断。
同相输入端的放大比为1+Rf/R，也就是U0=UI（1+Rf/R）
反相输入端的放大比为-Rf/R，也就是U0=UI（-Rf/R）.
如图3-4所示，本设计中放大倍数=1+Rf/R=1+120K/10K=13.此处的4.7K也是限流的作用，为的是进放大器的是电压值，并且选用同相放大器，第一是因为阻抗比较大电流不容易流失，可以顺利的放大。
第二是因为我设计的电路的电压值均为正值。
3.3.1.2数据处理模块
图3-6温度处理电路
1.A/D转换器
本设计选用的A/D转换器是ADC0809芯片
用CPU处理模拟信号的前提就是将模拟信号数字化，即进行A/D转换,根据检测精度：
对于一台具体的设备，其技术指标中包含检测精度指标，通过这个指标就可以换算出所需设备的A/D转换最低指标，只要选择转换精度比最低指标高一些的A/D器件就可以满足设计要求。
通常精度和分辨率是不同的，受非线性误差的影响，分辨率高的精度不一定高，当器件的非线性误差控制在1位之内时，A/D转换器件用位数所表示的分辨率与其转换精度基本相同，习惯上就用位数来衡量其转换精度。
根据采样频率：
被检测信号有其频率特性，为获取该信号的真实数据，采样频率至少要超过信号上限频率的2倍，由于工作原理和制造工艺的不同，A/D转换器件的工作频率也不同。
那么下现我们就先来了解一下ADC0809与51单片机的接口
1.ADC0809的逻辑结构
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图3-7ADC0809结构图
2.ADC0809的工作原理
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
输入和控制线：
4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上
的一路模拟量输入。
表3-3ACD0809通道选择表
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
升级会员 