大型公共建筑(群)能耗监测系统设计下位机毕业论文.doc

苏州科技学院本科生毕业设计（论文）大型公共建筑(群)能耗监测系统设计（下位机）摘 要由于现在国内外能源消耗很大，特别是城市公共建筑这类人口密集的地方，对能耗要求很高，建筑能耗管理显得极其的重要。针对这个问题，本课题设计了能量监测系统对建筑能耗进行监控，以达到调节和节约能源的目的。该系统由上位机和下位机组成，本文提出了整体设计方案，并着重介绍的以Rabbit 2000微处理器为内核的RCM 2200单片机的组成以及其外围接口电路的设计，并给出了软件设计的主要框架。该系统在硬件上可以实现的功能有数据采集，控制输出，串行通信（使用RS-232标准通讯），以太网通信。软件使用Dynamic C编程，下位机通过以太网口挂接在现场网段，作为主站控制器，通过以太网通讯口完成各个从站的网络通讯管理；作为从站或冗余站，通过以太网通讯口接收主站调度。各个节点都有RS-232串行通讯接口。串行通讯接口用于本地监控和组态，支持Modbus/RUT通讯协议。关键词： 大型公建；能耗监测；嵌入式系统；工业以太网； Design of Energy Consumption Monitoring System (Slave Machine) in Large Public Bulidings AbstractSignificant energy consumption at home and abroad now, in particular, the densely-populated areas of large public bulidings, have great demand on energy consumption. So I design energy consumption monitoring system to monitor the buliding energy, to reach the purpose of energy regulation and conservation.The system is made up of the PC and the slave machine, the design is presented in the paper and focused on the RCM 2200 module, which is based on the Rabbit2000 (the microprocessor core). The design of its external interface and the main framework of software are also presented. Some functions are achieved in the system in hardware, such as data acquisition, control output, serial port communications (based on the RS-232 communications standard) and Ethernet communications. The programming is based on Dynamic C software. The controller articulates in the scene of the network over the Ethernet interface, working as a main station controller, the controller can complete the network communications management by the Ethernet interface; as redundant station or slave stations, the controller accepts master scheduling over the Ethernet interface. The RS-232 serial communication interface is assembled in the station. Serial port communication interface for local monitoring and configuration and Modbus / RUT communication protocol is supported. Keywords: Large public bulidings; Energy comsumption; Embedded system; Industrial Ethernet II苏州科技学院本科生毕业设计（论文）目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状21.3 本次研究的相关技术31.3.1 以太网技术31.3.2 以太网技术的发展趋势41.3.3 嵌入式以太网61.3.4 Modbus协议71.4 论文主要内容和要求9第2章 系统总体方案设计112.1 系统总体架构图112.2 硬件的选型122.2.1 RCM 2200核心模块132.2.2 RCM 2200的优势152.3 Danymic C和C/OS-实时操作系152.3.1 Danymic C152.3.2 C/OS-实时操作系统162.4 下位机总体设计介绍16第3章 硬件电路设计183.1 A/D 转换及接口电路设计183.1.1 A/D转换器TLC1543183.1.2 A/D转换及接口电路设计193.2 D/A转换及其接口电路设计203.2.1 AD5310数/模转换器203.2.2 数模转换接口电路设计223.3 DI和DO接口电路设计233.4 串行通讯接口设计243.4.1 MAX232CPE介绍243.4.2 串行接口具体设计243.5 电源模块的设计25第4章 网关设计274.1 网关的设计思想和原理274.2 网关硬件设计27第5章 下位机软硬件的测试295.1 串行通讯基本功能测试295.1.1 串行通讯测试程序的编写295.1.2 串行通讯测试的实现305.2 A/D和D/A基本功能测试315.2.1 测试程序编写315.2.2 A/D和D/A基本功能测试实现325.3 DI与 DO程序设计345.4 UDP/IP通信测试345.4.1 UDP/IP主-从通讯程序的编写345.4.2 UDP/IP协议通讯的测试35结 论37致 谢38参考文献39附录A 译文40RabbitCore RCM 2200 用户手册40附录B 外文原文52附录C 下位机电路原理图64附录D 下位机PCB版图65附录E 源程序6671第1章 绪论1.1 引言 我国经济的大幅增长随之一起而来的房产业的兴盛，各个地区的高楼都在拔地而起，大型公建的能耗问题便日益突出。新建的大型贸易综合写字楼、机关办公楼和交通枢纽站，正从一线城市向二、三线城市拓展。在北京、深圳、上海之类的一线大城市中，主要新建的是商贸大楼，对比之下其他的二线城市、县区，主要的大型公共建筑则是政府办公楼。 这些楼宇投入使用中，一座大楼需要不停地维持其照明、安防、监控、取暖等功能，这些设备一般都是电气能耗设备，而且若是深入考究，会发现其综合能耗是及其惊人的。由可靠数据考证，目前国内的大型公共建筑，单单统计它的照明和空调系统，每一年能耗所需标准煤就是10000多吨，这些所造成的碳排放量则会高达五万吨。这一数据也印证了，让全球深受苦恼的温室效应和目前国人谈之无奈的雾霾，也都与这些大型公共建筑所造成的碳消耗有着因果关系。其实目前的实际情况已经所有报道了，早在2014年的，我国电力消耗有百分之五之多是政府公共建筑的电能消费，这也意味着超过八百亿元的开支。直接使我国超过了2000年的能源消耗第一大国（美国）的政府建筑能耗。于是，为防治这种情况，第二年城乡建设和住房部就了颁布有关加紧大型公共建筑和政府办公建筑节能工作的通知。温总理也在十届人大的会议中指出做好资源节约工作是目前迫在眉睫的一个主题。他还具体地提出了要采用六项措施。号召“让能源节约活动在全社会全面地长久地实践，让建设资源节约型社会这一理念深入人心，形成良好的社会之风”。这一口号说明建筑能耗控制势在必行。能源问题一向也是世界人民关注的焦点，它与人口问题、教育问题等等，一起组成了世界五大问题。目前中国的能耗总量排名世界第二，相较于南方和西部，北方能耗更多，在经济社会发展过程中，起着主导作用的是建筑业，其行业产值约占GDP的5.7%，同时衍生出了很多相关产业。不过建筑业的能耗巨大且越来越多，这会相继引发诸如气候变暖、生态环境恶化及农业减产等一系列问题。因此我国住建部又公布了北方地区居住建筑节能设计标准、公共建筑节能设计标准这两大规范，力图从城市到农村、从住宅到公共建筑一步步地降低建筑能源的总消耗。想要进行建筑能耗减控，最先所需的支撑数据是获取能耗数据。为了减少人们对建筑进行节能改造的盲目性，需要对能耗数据进行计算分析来得到典型建筑的用能特点和能耗状况，同时这还能有利于相关部门从全局上确定节能目标和方案 ，使政府制定节能策、 法规有据可依。大范围布局能耗监测系统，能够有效、及时、准确地汇总一个城市、一个地区的建筑能耗数据 ， 支持有关部门有效、有据监督公共建筑能耗情况并及时出台相关政策。然而，因为国内还处于不断建设时期，前期的建设也是粗放型的管理模式，很少有统一合理的规划，这导致我们建筑能耗采集方式仍然以人工为主。这种采集方式虽然在一定程度上解决了政府对能耗数据的燃眉之渴，但是弊端仍然很明显，例如：劳动强度大、数据准确性不佳，监测不实时、针对性不佳等很多问题。由此自动的能耗监测系统的需求和研发迫在眉睫。1.2 国内外研究现状当前，我国公共建筑能耗自动监测、采集系统较于其他国家还比较落后。各种能耗数据采集方式处在发展中，但随着国人的努力学习和研发，技术已逐渐从传统人工采集转变到自动。各类采集手段日益完善，公建能耗、采集监测系统发展的方向是自动化和网络化。(1) 人工采集人工采集数是主要需要抄表员实现。先人工采集建筑中各项能耗数据，再将所得据带回数据中心，其中分析过程可利用计算机实现，最后根据各能耗数的历史统信息分获得监测结果。利用这种手段能够改善一些制定节能政策时所需的数据问题，却也有着耗费物力、人力资源的弊端。同时，受限于监测范围有局限（很多人工不可到达的区域），人工采集很难大规模地用于对城市或地区范围内所有公共建筑的能耗监测，时效性差、效率低、准确性不良也是一个不可小觑的因素。(2) 自动采集如今，现有的能耗监测系统一般都是采用总线型的方式，基础元件是能耗计量表（可以远程传输），这个方案可以实现数据采集、数据计算、数据的记录和分析甚至上传打印副本。RS-485则是其中使用最多的总线通讯方式。再分析一下国外研究情况，国外的这项技术发展起步早，目前研究得也很透彻，技术应用也很丰富，成熟的已经大面积使用于建筑中。国外相关技术主要分为如下几类：(1) 基于总线通信的方式。典型的有瑞典ABB公司和德国MEILEK公司。他们的方案是在计量基表中嵌入IC芯片，使其高度智能化。此基表可以自主完成底部数据的采集、存贮和传输计算，这样就不会受外界因素干扰。并且，因为总线在基表上引出，一个基表的数据采集和存储不会受到总线的数据情况的影响，基表之间也不会相互影响，总体来说是很成熟、稳定、有效的方式。(2) 基于无线通信的方式。这是由瑞典ABB主要研发的。其研发数据采集基表除了底层采集、计算分析的能力之外还有基于无线射频传输的功能，这种测量监测能耗表使得线路安装十分简便，是发展的方向。(3) 基于电力线载波技术通信的方式。典型公司有National、Intellon、Atlnel、等公司。这项技术的核心是电力线载波IC模块，由于需求的增大目前这种芯片已经不受以上公司所垄断，大量国内外企业都有相关研发。这使得基于这类专用芯片的远程集中抄表和控制中心的实现变得更加低价和可靠。1.3 本次研究的相关技术1.3.1 以太网技术在现场总线的多种标准不统一以及跨标准的网络通信障碍的技术背景下，工业以太网便应运而生。正当现场总线为实施哪个统一标准不可开交时，以太网这一本常用在办公区域和住宅的技术已经默默进入了工业控制领域。在时代科技的推动下，像互联网、C/S模式应用系统、物联网、智能决策和支持系统这类新技术已经被企业全方位地应用。这也带来了底层设备和办公管理层通讯的协议和巨大的数据分配问题。而且企业的运维已经被互联网所深深影响，互联网把整个社会都联系在一起，通向全世界。OA(office automation)的广泛应用也离不开互联网的发展和延伸，互联网技术已经潜移默化地进入人们生活的各个领域。在企业不同网络层次之间来传输数据是一项越来越复杂的工程，而且当今和以后的发展趋势是管控一体化，这一趋势使得工业网络的带宽问题、连通率问题以及开放性程度越发要求严格。工业以太网特点较好地适应了这一要求。近年来，以太网速度一再提高，交换技术、星型拓扑结构得以应用，大量的工业级以太网产品不断面世，这使得以太网在数据通讯确定性、产品可靠性等方面大大提高，工业以太网快速成长。根据一份数据调查，工业以太网产品在2013至2014年每年均以超过50%的增长速率在发展，接下来的几年的预计增长率甚至达到了80%。基建行业、工业自动化领域、制造业等都在融合工业以太网，使得大家广泛地从传统总线方式转变为基于以太网的标准网络。工业以太网已经稳步地走到工业自动化最热的焦点。其实，以太网的核心技术是利用公共的传输网络共同分用。这一思想源于美国加州大学。从1972年至今，以太网从最初的实验型以太网到以太网标准化。其后3COM公司将以太网产品化。产品化以后，以太网从最初的细缆以太网，发展为交换式以太网、全双工制以太网。今年来随着快速以太网的出现，以太网的速度越来越快。相继出现了百兆以太网、千兆以太网等。以太网在工业领域的应用。兼容性上，它与IEEE802.3兼容，且为了顾及工业和商业的需求。工业现场的工程师门也期待市面上能出现直接使用的为工业现场的特殊要求专门设计的以太网芯片。1.3.2 以太网技术的发展趋势工业以太网的发展趋势包括了很多方面。它们如下：趋势一：控制：从集中到分布。在以前，可编程逻辑控制器（PLC）和分散控制系统（DCS）都是自动化行业的核心器件，他们一般都体积大而维护成本高昂。但随着通讯技术的发展远程智能I/O的出现，令自动控制从以PLC为中心的模型中分离出来，更加贴近受控设备。同时，数量越来越庞大的I/O设备也对通讯带宽和质量提出了更高的要求。这就催生了具有高带宽和更丰富地址的工业以太网的问世。趋势二：网络：从多样到统一。因为多种总线的并存，网络的复杂性呈倍数上升，这种复杂性体现在多种基础设备、多种接口、多个工具上。若是有一种统一的总线，能处理I/O连接、运动控制、安全性、点对点集成并且与总系统垂直集成。这一总线必将是得前期建设和后期运营维护大大便捷。统一的总线是有些难以实现的， AS-i这种直接连接现场传感器、执行器的总线系统已经初具规模。相较于此，连线复杂则是工业以太网的问题，不过其在以下方面具有优越性：(1) I/O连接。I/O连接是工业以太网的一大特色，很多人将其和以太网联系在一起。这一核心思想就是将现场总线挂载至以太网上。尽管这是十分有区别性的特点，但很明显工业以太网的优势不仅仅是代替现场总线。而且普遍采用的星型拓朴结构无法比拟现场总线的优势（单一现场总线）。为了改善这一劣势，很多研发企业开始改善这一点，常用的是在其I/O设备中加入开关，使之能够模拟出“总线”的结构。(2) 运动控制。似乎表面上在离散型自动化领域，运动控制系统是不用给予过多的关注的方面。不过，ARC Advisory Group调查表明，运动控制在离散型自动化领域所占比例达40%之多。因此在自控行业，对网络要求必须是能够处理运动控制。例如Profibus为代表的工业以太网就能够响应150轴/ms。(3) 安全性。为了安全性，美国个别州已经通过法律形式规定在现场总线和PLC上须有安全性电路。在工业以太网领域，很多标准也已通过了安全性协议。举例来说就如Profisafe，以及完整的Profinet。(4) 点对点集成。为了适应设备之间或者PLC之间的连接，点对点集成是必须的。为了把设备统一集成至生产线上，每台PLC、每个控制器、每个设备都得编程，这着实是一项繁琐的工作。为此工业以太网为使用代理为以太网与标准控制网络（包括Interbus、串行网络、DeviceNet、Modbus，等等）提供模块化的构成。这一手段也使得现有设备的利用率提高，网络建设的可续性也得到了提升(5) 垂直集成。物理层相同（均为以太网）、协议层也相同（均为TCP/IP协议），使得同一系统的连线十分便捷。趋势三：连接方式：从有线到无线。受地形地域限制，有些现场必须采用无线的方式构建。再者在调试和测试生产线过程中，无线连接更有助于工程师聚焦问题所在。并且，有许多移动的设备（特别是电机等旋转电器）需要采集控制和传感信号。若是采用有线方式必然带来设计上的复杂性，且信号质量不能得到保障。IEEE 802.11标准的问世，为无线以太网奠定了技术标准。趋势四：信息技术：从被忽略到被关注。在以前控制工程师对办公室网络不甚了解。但如今，随着网络和融合，办公网络和工业以网络的鸿沟逐渐消失，这也要求控制工程师对相关IT技术略知一二，并且可以预见，IT/控制工程部门两者之间的界限终会逐渐淡化。趋势五：车间网络：从专用到开发。在各个总线供应商相互竞争，竞相开发自己的专用总线，一时间市面上总线标准繁多设备之间的通用性很差，随着有些企业的相互包容和借鉴，开放性总线更加适应时代的潮流，也为用户提供了更加灵活的选择方案。1.3.3 嵌入式以太网基于嵌入式系统分布实现网络通讯、数据传输功能，这便是嵌入式以太网技术。其核心思路是把分散的嵌入式底层器件通过以太网整合在一起，实现基于以太网的智能硬件控制。相较于现场总线，本次设计选取以太网作为媒介主要原因如下：(1) 成本低廉。当需要大面积布置节点的时候，硬件成本不失为一个重要制约因素。不管是研发部门还是制造部门都会给予重视，而基于嵌入式以太网的系统，能够利用现有的网络基础设施，略去了现场布线的开支，总体硬件建设成本会少很多。(2) 应用广泛。这体现在网络标准的开放性和普遍的适用性上，它是一种标准的开放性网络，不存在网络协议兼容性问题，这也使得不同供应商之间的产品能够无障碍连接，技术支持根基广泛且牢固。(3) 软硬件资源丰富。由于是基于比较成熟的以太网通讯，前人在此方面的研究与实用已经沉淀了丰富的设计经验和软硬件资源，在这基础上系统具有良好的应用基础，研发效率也很高。(4) 通信带宽高。以太网的通讯传输速率从10Mbps发展到100Mbps，目前千兆以太网技术已经成熟，10Gbps 吞吐量的的快速以太网技术也已经问世，这远胜于所有现场总线能达到的速率。(5) 兼容信息网络，实现资源共享和远程访问。在同一通讯协议的背景下，以太网将OA网络（office automation）与现场控制网络进行完美的整合，还能组建同一的大型企业网络。调试人员能够不受时间和地点的约束，查看网络上的实时数据、对接入网络的嵌入式智能设备进行监控等，极大地提升了系统的实时性。1.3.4 Modbus协议（1） 背景介绍及传输格式Modbus 协议是普遍用于于电气控制的一种通用协议。是一种开放的、标准的协议。Modbus协议原本是由施耐德电气的子公司所设计，问世之后就十分有活力，统计至目前，已有超过数十万的串口设备和数以百万的Modbus TCP/IP设备在工业自动化领域投入使用，且支持该协议的供应商超过三百家，几乎所有第三供应商在输入输出接口上支持Modbus TCP/IP，这都从实际数据上表明其应用的广泛性。该协议如此得广泛使用时源于其易用性和兼顾性，以太网和串口成本也都很低，且Modbus和Modbus TCP协议均可在其官网免费获得、使用。为其设计的C/C+、JAVA样板程序、ActiveX控件、各种测试工具等也为人民的调试、使用提供了便利。当前Modbus已经是工控行业最流行的协议了。它不仅支持传统的RS-485、RS-232、RS-422以及以太网。此外，大多数网关都能把现场总线转到Modbus TCP，不同网络的相互转换也迎刃而解。包括PLC，DCS，智能仪表之类的工业设备，都是采用这个协议来进行数据通讯和传输的。它的出现让不同供应商的仪表和控制器能够组成统一工业网络，集中控制。 Modbus协议规定，具体进行数据通讯时，为了辨认数据是从何地址所发出，每个控制器必须记录他们的设备地址，然后应该做出何种动作。若该消息目的地址是自己，下位机会采用Modbus协议回应请求方。 Modbus协议并没有规定物理层。这也是采用该协议的控制器可以不用考虑底层而进行通讯的原因。其标准设备一般利用RS232C完成串行通讯。其中的两大标准协议（ASCII、RTU协议）规定了数据、消息的命令、结构和规范回应，数据通讯采用主从方式，并且可以双向读写。一方面主机发出数据请求消息，从机接收到检验正确后的请求后就将数据发送到主机端作为回复；另一方面主机也有权限直接访问和修改从机数据。 通讯过程中Modbus协议规定数据必须经过校验，进行串行通讯时不仅有奇偶校验，在ASCII模式下使用纵向冗余校验，RTU模式下则采用循环冗余码校验，不过因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议，在TCP模式下不需要进行其他校验。不仅如此，Modbus协议具有高可靠性，它采取实时数据收发监控，正常使用过程中从机若是突然失联，主机连续未得到响应便可以及时发现，从机问题解决后，通讯又可以自动恢复。 （2） 两种传输模式（ASCII以及RTU）Modbus有两种网络通信模式。使用者可以根据需求配置每个控制器参数（包括通信模式号、波特率、纠错等）来开启对应的模式，在配置过程中，同一Modbus网络上的所有设备的传输模式和串口参数都应该规定一致。在ASCII模式下，数据帧用“：”开始，也就是对应ASCII码3AH，用回车换行作为结束标志，对应码为OD、0A H，一个八位字节分为两个字符，字符间的时间容错阈值为一秒，使用LRC校验。在RTU模式下，数据帧的开头和结尾都使用不少于3个半字符的时间间隔作为标志，数据帧的发送必须是一个连续的数据流，不允许有中途停顿。纠错为循环冗余方式，在同样的波特率下，传输效率比前一模式高一些。这两种模式（ASCII以及RTU方式）仅适用于标准的Modbus网络，它规定了每个数据报文的每一位是什么，并且决定了如何把数据打包成和如何解码。在别的非标准网络（例如MAP）上Modbus消息会被转换成为与串行传输无关的数据帧。Modbus协议要求数据帧以一个最小的3.5字节的安静时间（quiet time）开始。接收器使用这个3.5字符的间隔来监测帧的开始。为了让中断服务程序监测这个间隔，建议传送哑字符，以帮助监测这个间隔。具体实现方式如下。当接收到第一个字符时，发送器开始传送哑字符。每次都有一个中断，或者是接收器数据寄存器满，或者是发送器数据寄存器空。如果发送器数据寄存器是空的，传送一个哑字符。虽然接收器和发送器以近似相同的波特率工作，它们的波特率仍有最多达5%的偏差。这样，接收器满和发送器空的中断会变的有相位差，假定远程站以字符间无间隔的方式传送的话。如果这个计数器保持为（n），表明在帧里已经监测到了间隔；间隔的长度是（n-1）到（n）个字符。帧的开端可用（n）到3标记，表明间隔至少两个字符长。（3） TCP/IP Modbus的优势Modbus通信协议在工业控制网络系统中的使用已经非常广泛，主要的优势如下：（1） 网络建设成本低廉，设备的兼容性好、组合简便。（2） 全世界范围内几乎所有网络都支持TCP/IP，该协议已经成为网络的基础。在这种背景下，仅需把Modbus TCP加载在应用层，基于工业以太网的数据通讯就能够完成。（3） 它具有较高的传输速率。网络的通讯速率是一个重要标准，来做如下简单计算。百兆以太网的传输能力为：四千个报文每秒，一个报文有125个16位的字，总结果经计算为800万位（比特），可见其速率是十分惊人的。（4） 这是广大厂商和客户的一致愿望，协议和样例程序均可免费从互联网上寻得，还能支持多种操作系统，驱动程序也不需专门定制。国际上，国际半导体设备材料产业协会将此协议作为基础协议，实际应用中工控自动化领域均把它视为事实上的标准协议。（5） 设备商已经具有成熟完善的解决方案：工业以太网接线元件（例如工业交换机、工业收发器、工业集成器等）、工业以太网服务器以及各种现场功能（分组的信息发布与订阅功能，网络动态监视功能）此外还有client support Web server。该协议对很多工控器件的兼容：包括工程用的交互界面、降压/减流启动器、变频器、伺服控制器、以太网输入输出接口、以及带Modbus TCP/IP的sensor等使工程师和客户使用起来得心应手1.4 论文主要内容和要求本课题的主要内容是，基于单片机设计一个基于以太网的建筑能耗监测系统的下位机，可以实现基本的数据采集，同时该测控系统具有以太网接口可以将采集的数据通过以太网传输，（亦可拓展无线接口）。下位机通过不同功能模块组合，可以实现不同功能。下位机可以作为采集节点，利用数据采集和以太网部分，亦可以实现基于以太网的监测主站。单片机以由Rabbit 2000 8位CPU为中心的RCM 2200模块为核心开发，C语言编程。具体应实现以下功能：(1) 能够实现模拟量输入输出的功能(2) 能够实现数字量输入输出的功能(3) 可以通过RS232口进行串行通讯(4) 可以通过RJ-45口进行网络通讯最后在完成电路板后设计测试程序对下位机的基本功能进行测试。 第2章 系统总体方案设计监测系统下位机设计开发硬件以RCM 2200模块为核心，软件设计基于Dynamic C和C/OS-II占先式实时操作系统。2.1 系统总体架构图网络结构上, 系统包括主干网和现场设备子网。主干网采用100M以太网, 现场设备子网采用10M以太网。各个现场设备子网通过以太网交换机与主干网连接。主干网上直接连接一些通用设备, 如监控主机、数据库服务器、管理& 组态计算机、路由器等。设备子网包括各种现场智能节点。本系统中的监测节点, 是指具有以太网接口, 同时加入了包括传感器、监测下位机等。现场监测节点分为主站和从站。每个现场设备子网有1 个主站和多个从站。基于以太网和嵌入式的能耗监测系统结构如图2-1 所示。图2-1 基于以太网和嵌入式的能耗监测系统体系结构如前所述, 在通讯管理上, 系统有两个方面主要特点。首先, 各现场设备子网基于Modbus/UDP 协议, 实现了基于以太网的主从通讯管理。Modbus/UDP 协议,即在以太网通讯中, 传输层/网络层采用UDP/IP 协议,在应用层嵌入了Modbus/RTU 主从通讯协议。这样,CSMA/CD 的以太网就成了传统的主从网络, 从根本上避免了通讯的数据冲突。另一方面, 各个监测节点基于TCP/IP 协议, 在PC端使用labview设计了人机界面, 无论是主干网PC机, 还是Internet 上的设备, 授权后都可以直接读取现场监测节点的数据。这种分布式式监测系统为系统提供了一种跨网络、跨平台的工业数据通讯方式。我本次设计主要是负责下位机（实现数据采集输出通讯功能）的实现。此外系统还后续可以升级拓展为基于分布式无线传感网络的监测系统。系统体系结构如图2-2所示。图2-2 分布式无线传感网络系统体系结构整个系统的监控系统由PC部分、网关部分、路由节点部分、传感器节点部分组成。PC部分完成接收网关数据和发送指令的功能；网关部分的工作有两个，一是接收路由节点或者传感器节点的数据并将收到的数据发送给计算机，二是接收从计算机发送过来的指令，并对接收到的指令进行转发，对传感器节点进行实时控制；在网关不能与所有的传感器节点通信时，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信；传感器节点完成对数据的采集，包括电表读数、水流数据等。本系统采用了简化的结构，省略了路由节点，总共包括PC上位机部分、网关部分、传感器节点三部分。2.2 硬件的选型在电子电路设计时候首先应考虑的就是硬件的选型，所选芯片、元器件的性能和规格对系统起着决定性作用。而且对于后期的二次开发影响也是很大。在选择硬件的时候需从以下几个方面考虑：芯片的内存大小、CPU的主频速率、输入输出通道数目、驱动能力、程序编译和烧录环境以及性价比等。2.2.1 RCM 2200核心模块在上述方案中介绍过，我采用RCM 2200作为主要核心模块来进行下位机的开发，该模块是基于Rabbit 2000CPU的集成了以太网接口的成套模块，以下我就其功能以及其CPU进行简单介绍。RCM 2200是Z-World公司的一款核心模块，模块以Rabbit2000 CPU为核心，在一块小巧电路板上集成了CPU、Flash、SRAM及以太网接口和串口。微处理器Rabbit 2000主频为22.1M HZ， Flash为256K、SRAM为128k。还具有扩展寻址外部存贮器空间的能力。标准的10Base-T以太网接口符合IEEE 802.3，因此它允许使用廉价的网络设备来进行直接连接，适合于嵌入式以太网接入设计。模块提供了26根并行I/O口线、8根数据线、4根地址线以及读写控制线等，方便系统扩展。RCM 2200模块的具体组成结构如表格2-1所示。模块的实物图和引脚图如图2-3和图2-4所示。表2-1 RCM 2200组成结构图2-3 RCM 2200实物图图2-4 RCM 2200引脚图核心CPU-Rabbit 2000是Rabbit Semiconductor公司在以Z80处理器为蓝本，重新升级研发的、为嵌入式开发量身定做的的一款8位CPU。继承于Z80、Z180以及HD64180，Rabbit2000与与以上的CPU设计理念一致，兼容性极佳，使得工程师们省去很多学习成本。与R公司合作的Z-World公司则是长期从事低功耗单片机研发的， Rabbit 芯片就是Rabbit Semiconductor和Z-World公司合作开发的产品，同时Z-World公司也为为Rabbit2000研制了高效的开发环境-Dynamic C。2.2.2 RCM 2200的优势采用RCM 2200的主要原因是因为其具有如下的优势。该模块性价比很高，适合于与其他的采购和装配，采用通用的C语言程序开发和调试，其大的记忆体大小允许大型项目与数万行的代码，和大量的数据存储。并且模块为网络连接集成以太网端口，免费的的TCP / IP软件。串行口数目众多并且通讯快捷。中断优先级很多。Rabbit功耗很低还能够实现冷启动，因而可以在适当的地方焊接未编程闪存（flash memory）。由于其基于Z80，因此使用过该系列芯片的人员上手速度很快，极大地提升了人民设计效率降低了硬件设计难度。2.3 Danymic C和C/OS-实时操作系2.3.1 Danymic CDynamic C是ZWorld公司的交互式C语言开发系统，可在Windows 环境下运行。它提供了编译、调试、仿真和程序加载等功能。它在语言和函数上都是为嵌入式系统的开发考虑的：它包含一个底层的BIOS库，方便地支持对I/O口的操作；它提供了一系列函数和宏来支持网络操作，包括TCP/IP、HTTP、TELNET和FTP协议；它支持公共网关接口CGI，可以方便的与硬件打交道并实现Web服务器功能等Dynamic C的自建库内在地包含了应用程序、数据运算处理程序、驱动程序及动态C调试BIOS的程序，为软件设计开发提供了既得的便利。能够让程序员最大程度上利用扩展内存是Dynamic C开发环境的特性。CPU内部寻址空间达一兆，一兆的地址空间由MMU(Memory Management Unit)进行分段。正常情况直接由动态C完成内存控制，但程序员也有权限来自行决定。为了方便把数据和代码置有效的地址，它使用了Key word指令。例如Keyword：“root”使用的是基内存；keyword：“xmem”则会使用扩展内存（选址范围是一兆代码空间内的随意地方）。在函数原型中，关键字root和xmem可用来生成更多的高效指令。2.3.2 C/OS-实时操作系统嵌入式系统应用软件设计中，这类系统能够大大加快开发进展，提升安全性和鲁棒性，后期运维和再次升级也会很容易。然而现在行业内流行使用的商业用的RTOS （Real-time operating system）例如 VXWORK和PSOS 等虽然十分完善了，但是这些系统比较封闭，受限于版权和高额的费用很少用于我们这类研究。C/OS-的出现则给我们带来了曙光，C/OS-是由拉伯罗斯开发的实时操作系统，它具有开源、易移植、占先式、可固化、能裁剪、等特点。内在地包含了一些相对独立的、精简二功能强大的模块化函数，主要有：任务调度、内核管理、任务管理、事件控制块、信号量管理、时间管理与通讯管理等。而CPU Rabbit 2000就是基于Dynamic C实现了uC/OS-II实时操作系统移植。uC/OS-II实时操作系统由任务调度器(Scheduler)来完成任务调度，可以管理多达六十四个任务（提供程序员的任务为五十六个）。任务间可以通过事件（Event）来进行通信与同步。Event能够为信号量 (Semaphore)、一个邮箱(Mailbox)也可为一组队列(Queue)。2.4 下位机总体设计介绍本下位机的指导设计理念是有一定通用性；方便在实验室内做基础研究；能够体现小部分真实的实用价值。根据本次任务的总体要求，本系统要实现的主要功能包括：数据采集、数据通讯、人机界面的控制、数字量输入/输出；上位机监控；以太网通讯。因此，下位机应该包括了常规的模拟量输入/输出电路、数字量输入/输出电路、以及串行通讯、网络通讯、等电路。具体设计上，下位机硬件可以分为四个部分：（1）A/D、D/A、 DI、DO；（2）RCM 2200处理器核心模块；（3）串行通讯及编程接口；（4）电源电路。下位机原理结构图如图2-5所示。RCM 2200以太网通讯口RS232接口电源电路TLC1543AD5310DIDOV/I滤波滤波I/V图2-5 下位机原理结构图下位机通过以太网口挂接在现场网段，做为主站，通过以太网通讯口完成各个从站的网络通讯管理；作为从站或冗余站，通过以太网通讯口接受主站调度。各个节点都有RS232/485串行通讯接口。串行通讯接口用于本地监控和组态，支持Modbus/RTU通讯协议，可以直接与Intellution Fix 等常用工业组态软件接口连接。系统分为母板和子板两块电路板，RCM 2200处理器核心模块作为子板，与母板通过接插件连接。具体设计上，主要是在母板上设计各种接口电路和通讯电路。第3章 硬件电路设计本章从原理到实际电路图对A/D模块、D/A模块、串行通讯模块以及基于RCM 2200的外围接口电路进行了详述。3.1 A/D 转换及接口电路设计3.1.1 A/D转换器TLC1543在能耗监测系统的设计中，A/D采样和转换器的设计好坏对系统影响至关重要。因此需要综合考虑选择很合适的芯片。这样不但能够减轻硬件设计复杂度、难度也能提升整体系统的稳定性和高效性，这是事半功倍的作用。本次设计所采用的A/D芯片TLC1543是由加州仪器公司生产的，整合了多路转换的11通道十位串行外设接口的高性价比A/D转换器。其优点为：采样速度快、采样通道多、连接简便、应用基础好等。 TLC1543的响应时间只需10微秒，它自身带有一个十四通路的选择器以供宽范围使用。通过/CS、I/O CLOCK、ADDRESS、DATAOUT等这些端口，TLC1543可以方便地与RCM 2200连接。TLC1543芯片引脚图如图3-1所示。图3-1 TLC1543芯片引脚图TLC1543芯片主要使用的引脚基本功能简介如下，详细说明请参见TLC1543数据手册。VCC和GND是用于供电和接地。A0到A10为模拟信号输入端。/CS是片选信号端。低电平选中此芯片并启动功能。I/O CLOCK是时钟脉冲输入端。输入格式为串行。主要功能如下：存入通道地址；在选定的通道输入上加上电压模拟量且向其capacity充电持续十个时钟周期；把上次的转换数据输出到DATA OUT 端口；把转换后的数据存到内部状态寄存器。DATAOUT是串行数据输出端。用于A/D转换结果输出的串行输出端。ADDRESS为串行数据输入端。EOC：转换结束脉冲输出，用于标记转换结束。有效电平为低。3.1.2 A/D转换及接口电路设计系统中A/D转换器TLC1543参考电源采用5VDC，将A/D输入引脚0到5V电压转换为0到1023。考虑实际信号的要求，设计了标准的电流/电压转换电路。来自现场的4-20mA电流信号可以转换为1-5V信号，经过限幅和滤波后，接入TLC1543进行A/D转换。转换电路如图3-3所示。图3-3 电流-电压转换电路TLC1543芯片几个输入控制口例如片选端、时钟端和ADDRESS口以及一个数据输出端DATAOUT都是采用SPI串口通讯协议，这就需要使用具有SPI接口的CPU。本系统设计中通过软件模拟SPI协议，用RCM 2200的4根I/O口线与TLC1543接口。TLC1543与RCM 2200处理器核心模块的接口电路示意图如图3-4所示。图3-4 A/D转换电路原理图系统共有11路A/D转换，在母板接线端子上对应为IN0IN10和若干“0V”接线端子。现场参数经过其对应的变送器转换为4到20毫安或者1到5伏的标准电流、电压信号，标准电压、电流信号经过接线端子和阻容滤波。3.2 D/A转换及其接口电路设计3.2.1 AD5310数/模转换器AD5310是亚德诺半导体技术有限公司生产的串行10位A/D转换芯片，它不但和八位A/D转换器AD5300以及十二位A/D转换器AD5320能够完全通用（后代兼容前一代）。它还有占地小、工作电压范围广、能耗小、连接简便等优点。本次设计使用该型号也是主要基于硬件成本和后期的维护、升级。AD5310引脚图和引脚简介如图3-5。图3-5 AD5310引脚图主要功能引脚介绍如下：Vout：D/A转换输出端，对应0到255的数字量输入，转换输出电压为0到所接电压大小。DIN：串行数据输入端，AD5310在串行时钟控制下，由此引脚接收串行数据输入，数据在SCLK的下降沿锁入。SCLK：串行时钟输入端。/SYNC：电平触发控制输入端，有效电平为低。VDD GND：电源端，电压范围为2.5到5.5V。它的典型实际应用原理图见图3-6。图3-6 DAC典型应用实例3.2.2 数模转换接口电路设计本系统中设计了2路D/A转换器，选用2片AD5310。在端口使用上，两片AD5310共使用了RCM 2200的4条I/O口线。2片AD5310电平触发控制输入端各用1条，2片AD5310的串行时钟输入端共用1条，串行数据输入端共用1条。为了方便系统测试，D/A输出可以直接输出1到5V DC到接线端子，也可以经过V/I电路之后，在端子输出4-20mA电流信号。具体可以通过条线开关根据需要选择。AD5310和RCM 2200的接口电路示意图如图3-7所示。图3-7 AD5310和RCM 2200的接口电路示意图具体介绍一下经AD5310转化后的15V电压信号所经过的V/I电路的具体设计原理，详细电路图见图3-8。 图3-8 V/I电路原理图3.3 DI和DO接口电路设计系统设计中，通过RCM 2200的PA、PB端口扩展了4路TTL数字量输入以及2路继电器输出。TTL数字量输入（从DI1引脚到DI4引脚）经接线端子和阻容滤波电路进入RCM 2200；两个继电器输出常开（DO1A、DO1B、DO2A、DO2B）接点。继电器前级接入7407对继电器进行驱动。系统数字量输入/输出接口电路示意图如图3-9所示。图3-9 DI/DO总体接口电路原理图3.4 串行通讯接口设计3.4.1 MAX232CPE介绍MAX232芯片是德州仪器公司（TI）研发的。它有两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器，并能够支持RS232。其标准电平符合TIA/EIA-232-F标准，接收器则把转换成5V标准电平。发送器将TTL/CMOS标准电平转换成TIA/EIA-232-F电平。它的优点是：能耗低、仅需一个电源供电，价格便宜、外接电容小，DPI封装等。详细简介参见MAX232数据手册。MAX232引脚图和引脚简介如图3-11。图3-11 MAX232引脚图3.4.2 串行接口具体设计下位机中设计了两个个串行通讯口，分别用于编程烧录和本地监控。为了实现电平匹配（Rabbit 2000的输出的TXD和RXD是05V的TTL电平，需要将其转换成RS-232串行通讯接口所需要的1515V电平），系统向外扩展了两片MAX232CPE芯片，如图3-12所示。图3-12 串行通讯接口原理图MAX232 CPE外设需要四个用于电源转换的电解钽电容C1 C4（型号为1uF/25V），电容应尽量贴近MAX232 CPE，还可以加上0.1微法的去耦电容。芯片的管脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT接TTL/COMS电平的相应的管脚，引