RS485总线通信系统的设计与实现毕业论文

本 科 学 生 毕 业 论 文论文题目： RS485 总线通信系统的设计与实现学 院：年 级：专 业：姓 名：学 号：指导教师：I摘要无论是工业控制还是信号测试领域，实现不同通讯协议的数据融合都有着迫切需要。但是目前市场中存在的协议转换器只能满足两种协议之间的转换，如 RS485 转RS232，USB 转 RS485 等，但是经常存在着多种数据总线并存的情况，因此研制多种总线协议转换的设备有着比较大的实际意义。除此之外，目前接口标准的 RS485 总线通信协议不统一，需设计一个高效稳定的通信协议。基于以上原因，本论文提出一种基于高速 RS485 的多总线通信系统。整个系统包含多个 RS485 节点，各个节点包含的通讯接口包括 RS232，RS485 和 USB，从而实现这三类总线的通讯协议的转换。设计并实现了一种适用于微机和单片机之间串行通信的通信协议，采用 RS485 简便，通信可靠性高总线标准，可用于工业测控和控制现场。实验结果表明，该通信协议是切实可行的，达到了预期的设计要求。关键词RS485 总线；主从式；多机通信；通信协议IIAbstractWhether in the field of industrial control or signal test, the achievement of data fusion which is based on different communication protocol is urgent needed. However, in the current market, protocol converter can only achieve conversion between two protocols, such as RS485 to RS232, USB to RS485 and so on. Cases of coexistence data bus, it has great practical significance to develop an equipment for protocol conversion among different buses.Based on the reasons above, a high-speed RS485-based multi-bus communication system is presented in this paper. The entire system which is used to realize the three categories of bus communication protocol conversion consists of some RS485 nodes, each node contains the communication interfaces including RS232, RS485 and USB. In the practical application, the number of nodes can be changed as required to form system, for achievement of data fusion between a variety of bus communication protocol.Key wordsRS485 bus; Serial Bus; Protocol Conversion; Communication protocol目录摘要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 RS485 总线通信系统研究现状 .2第二章 RS485 介绍 .42.1 RS485 标准 .42.2 MAX485 芯片介绍 .42.3 RS485 总线组网方式 .52.4 RS485 方式构成的多机通信原理 .5第三章 系统协议及硬件设计 .73.1 RS485 通信协议设计 .73.1.1 物理层设计 .73.1.2 数据链路层设计 .83.1.3 应用层设计 .83.1.4 通信协议 .83.2 系统硬件设计 .103.2.1 PC 与 RS485 总线的接口 .103.2.2 RS485 方式构成的多机通信 .103.2.3 单片机与 PC 机串行通信系统构成 .11第四章 系统的软件实现 .124.1 上下位机的关系 .134.2 下位机通信软件的设计 .144.3 上位机通信软件的设计 .164.3.1 通信协议设计 .164.3.2 多机传输 .174.3.3 差错控制 .184.4 程序设计 .19第五章 系统问题解决措施 .205.1 总线隔离 .205.2 失效保护 .205.3 电磁干扰问题 .20结论 .22参考文献 .23致谢 .24RS485 总线通信系统的设计与实现1第一章 绪论所谓通信，不仅仅要实现数据的传输，更应该体现准确性，也称可靠性传输，最好具有一定的纠错和检错能力。RS485 通信标准的电器协议是差分、多点传输，在现代社会被广泛应用。RS485 通信系统被大量应用在自动化生产中，许多智能设备应用RS485 通信协议进行通信。RS485 系统多数以半双工形式通信，具有超强的可靠性、抑制噪声能力，数据传输速率非常高，电缆长度特别长。RS485 系统常用的芯片有很多种，本文采用MAX485 芯片。RS485 接口以平衡方式传输，多点之间进行通信。在工业控制和信号测试领域中，常常需要将不同通讯协议进行融合，在这个过程中协议转换器发挥着重要作用，如 RS485 转 RS232，USB 转 RS485 等，可以实现两种协议的转换。本文采用 USB 转 RS485 进行转换。最近几年，计算机技术的发展日新月异，发展迅猛，普遍性高，智能测量、系统控制大多采用上位机与下位机采用主从式工作方式，现场控制单元可以实现遥测、遥调、遥控、遥信功能。由此可知，上位机与下位机的串行通信需要达到一定的可靠性，对实现智能化测控至关重要。主机与分机串行通信主要包括：硬件设计、设计通信协议和软件设计。本文简述 PC 机与单片机串行通信的组成设计，包括硬件设计、协议设计、软件设计以及通信时需要考虑的问题。1.1 研 究 背 景 及 意 义在计算机技术发展迅猛的今天，信息量日益增大，交互速度日益加快，系统内各个模块信息交互日益复杂，这对总线体系发展起到了推动性作用，使得信息交互更加简洁，即使信息量庞大，也能轻松实现。随着系统数据处理量的增大，对速度的要求也不断提升，并行总线具有时钟同步和串码等的缺陷，不能满足系统数据交换的条件。高速串行总线采用低压差分技术，电路的结构简单、可扩展、传输速度快，逐渐取代了并行总线成为主流总线电路方案 1。由于嵌入式等技术的发展，高速串行总线可编程资源骤增，也可满足系统集成要求，提高了系统的灵活性和适应性。这一技术的研究对于促进智能化信息系统的发展、进一步提高现代生产、生活效率有着重大意义。RS485 总线通信系统的设计与实现2自动控制系统技术和信息交互技术的发展迅速，信息化、数字化、网络化、微型化、分散化、智能化成为信息系统发展的主流方向，随着接口编码技术的发展和系统的逐渐壮大，一系列数据格式和接口信息不同的高速总线出现在市场中。即使是同一设备可能使用不同的总线接口，多总线之间的数据通讯及其协议转换，使信息系统从设计、运行、维护等多通讯协议的转换，简化复杂系统结构和提高系统工作可靠性都至关重要 2。在现代生产和生活中，信息传输以及交互量大，交互速度高，同时，现场工作条件使其重量、体积受限，提升设备的运行速度和可靠性迫在眉睫。为此，本文设计了一种基于 RS485 的分布式多总线通信系统，由基于高速 RS485 的总线节点组成，节点中具有 RS485 总线及 USB 的通讯功能，且分布式系统的总线节点个数可灵活删减，应运而生。从而可以满足对多个 RS485 和 USB 接口设备进行通讯及控制等。本论文为对进一步研究通用化、模块化、可编程化及标准化的信息控制系统和信息处理系统有着重要意义 3。随着计算机技术的发展,微机的价格大幅度下降，PC 机和各种单片机在工业和各行业应用日益广泛。在现场中，各种测量仪表往住采用单片机做数据处理和控制单元，而在主控室内，由微机对整个生产过程的数据进行统一的显示、存储，并可以完成打印报表、参数设定等工作。这样，就由微机和单片机构成了小型分布式的测量系统。在这样的系统中，微机与单片机的通讯就显得尤为重要。一般微机上都有 RS232 串行接口，但由于 RS232 使用的是非平衡的电信号，电气性能不佳，存在着传输速率低、传输距离短、接口处信号容易产生相互干扰等问题,难以在工业现场中得到应用。近年来出现的 RS485 总线,其收发电平为差动方式，大大提高了通讯的速率、距离和可靠性，并且适合多机通讯。在通讯的波特率小于 100kbPs 时,允许电缆长度为 1200 米，一般可以满足现场的要求。1.2 RS485 总 线 通 信 系 统 研 究 现 状许多年以前，工业控制领域已经出现总线技术，总线发展的方向主要有串行、高速及采用嵌入式方案等 2。现如今，总线技术通常为多种总线并存，应用领域不断扩展且总线网络结构趋于简单化。下面重点介绍 RS485 总线通信系统的发展历程。RS485 标准由电子工业协会于 1983 年制订并发布，后由通讯工业协会修订，并命RS485 总线通信系统的设计与实现3名为 TIA/EIA-485-A。RS485 采用平衡驱动差分接收电路，采用半双工工作方式，传输距离最高可达到 1200m，传输速率不少于 52Mbps，挂载总线节点数最多为 32 个 3，基于以上参数分析，RS485 总线可应用于远距离高速传送数据和信息。 2009 年清华大学，精密仪器与机械学系王鹏，李成等采用 FPGA 与 RS485 收发器结合，采用 CRC校验算法，实现了通讯距离为 200m，速率为 20Mbps，总线误码率为 10-11 的 RS485总线。2007 年周立功公司采用外置 UART 芯片 SC16IS762 结合 MAX485 芯片的方案实现 5Mbps 高速 RS485 总线方案。RS485 是由 RS232 发展而来的接口标准，包括点对多点和多点对多点的网络，RS485 总线网络凭借可靠性高、分布范围较大、组建成本低等特点，在智能家居、远程控制等领域得到广泛应用。RS485 总线通信系统的设计与实现4第二章 RS485 介绍RS485 通信系统有主从式和总线式两种通信方式。在工业控制常用主从式通信方式，总线通信具有更好通用性和可扩展性，在总线通信协议也容易建立一个主从式RS485 通信网络。 RS485 总线网络的网络简单，成本低，但总线协议至今尚未统一。在基于 RS485 总线网络系统，经常临时设计 RS485 总线通信协议，在系统的可移植性和效率稳定性方面存在一些问题 4。总之，设计一个高效和稳定统一的通讯协议作为协议标准对信息的处理和传递是十分有必要的，本文第三章简单介绍了高效稳定的通信协议。2.1 RS485 标 准在计算机网络控制系统中，通常使用串行通信进行信息交换，无论是 OSI 七层协议模型还是一个简化的三层（或四层）的网络，第一层均为物理层，RS485 是物理层协议标准，也是串行通信接口标准，它可以很容易地把各种计算机，外围设备，测量仪器有机地连接，以构成测控系统。 1977 年开发的新标准的 EIA RS449，它定义了10 种电路功能的 RS232C，它的传输速率高，传输距离远，RS485 是 RS422 的变体 5。2.2 MAX485 芯 片 介 绍MAX485 是用于 RS485 通信的收发器，功率较低，芯片内部含有 1 个接收器和 1个发射器，具体特性如表 2-1 所示。表 2-1 MAX485 芯片介绍通信方式低功耗关机接收器使能静态电流/mA数据率/Mbps转换率限制管脚数半双工 NO YES 300 2.5 NO 8MAX485 芯片 8 个管脚的功能如下：（1）RO 脚，即为输出端： 若 A 比 B 小 100 mV， RO 为低，若 A 比 B 大 100 mV， RO 为高。（2）RE 脚，即为接收器输出使能端）：当 RE 为高时，RO 为高阻状态，只有RS485 总线通信系统的设计与实现5RE 为低时，RO 才有效。（3）DE 脚，即为驱动器输出使能端：若 DE 为低，它们成高阻状态，若 DE 为高，驱动输出 A 和 B 有效； 若为高阻状态时， RE 为低，它们作线接收器用，若驱动器输出有效，器件作为线驱动器用。（4）DI 脚：即为驱动器输入：若 DI 为高，输出 Y 为高，Z 为低，若 DI 为低，Y 为低，Z 为高 。（5）GND 脚：即为接地作用。（6）B 脚： 反相驱动器输出和反相接收器输入。（7）A 脚： 同相驱动器输出和同相接收器输入。（8）VCC：即为电源正极。2.3 RS485 总 线 组 网 方 式RS485 总线网络组建并不复杂，