（机械设计及理论专业论文）莆田协丰鞋模厂“生产动态”显示屏数据采集显示系统.pdf

福建农林大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位c 毕业，论文作者亲笔签名聒、水喟魄1 。7 彳如月 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 学位c 论文作者亲笔签名棘枣嘿 指导教师亲笔签名：9 护 日期：。7 许斗闩 醐：一7 彳膊 啵1 福建农林大学硕士学位论文 摘要 本论文主要以工业环境下的r s - - 4 8 5 总线通信开展对下位机( 单片机) 数 据采集，上位机( p c 机) 数据采集、数据显示、数据存储、数据管理与点阵l e d 显示屏显示的研究。 本论文从工程设计与开发的角度出发，主要介绍了如何进行通信硬件电路设 计，r s 4 8 5 构成的多机通信协议设计，上位机与下位机通信软件与通信系统抗 于扰设计等；提出了新颖的“软件环保”设计思想：介绍了进行工程调试的经验。 经实践证明，本系统具有实用性与较高的经济价值。 关键字：r s 4 8 5 通信；通信硬件电路；通信软件；“软件环保”：经济价值 福建农林大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l yc o n c e n t r a t e so nd i s c u s s i n gr e s e a r c h e so nt h ed a t ac o l l e c t i o n , d i s p l a y , r e s t o r eo fm i c r o c o n t r o l l e r , m a n a g e m e n to nt h ep ca n dt h ed i s p l a yo fl a t t i c e l e de q u i p m e n tb yt h ea p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r a lb u so fc o m m u n i c a t i o n sv i a r s 4 8 5 t h ep a p e rm a i r d yi n t r o d u c e sh o wt o d e s i g n t h eh a r d w a r ec i r c u i t so f c o m m u n c i a t i o n s ，t h ep r o t o c o lo fi n d u s t r i a l c o n t r o ll o c a la r e an e t w o r k , t h es o f t e w a r e p r o g r a m m i n go fc o m m u n c i a t i o n so fm i c r o c o a t r o l l e ra n dp c , t h et e c h n o l o g yo f a n t i - j a m m i n gi nc o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s ；p u tf o r a w a r dt h en o v e li d e ao ft h ed e v i s eo f “g r e e ns o f t w a r e ”：p r e s e n ts o m ee x p e r i e n c e si np r o j e c td e b u gi ni n d u s t r i a lf i e l d t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e mb e i n go fp r a c t i c a b i l i t ya n dh i g h e re c o n o m i c v a l u e k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o n sv i ar s 4 8 5 ；h a r d w a r ec i r c u i t so fc o m m u n i c a t i o n s ； s o f t e w a r ep r o g r a m m i n go f c o m m u n c i a t i o n s ；“g r e e ns o f t w a r e ”；e c o n o m i cv a l u e 2 福建农林大学硕士学位论文 1 引言 当今，国内外大、中型企业越来越重视运用先进的电子科技手段来提高企业的形象、提 高企业的管理能力，从而提高企业的生产力、增强企业的市场竞争能力。然而，如今绝大多 数尖端的工业设备产品都必须从国外引进或者是请国外具备科研能力的电子公司进行专项 开发，这样无疑会增加国内大多数企业成本的开销，他们只能望而却步。企业管理上不去， 也就失去了市场竞争力。本课题既是针对国内某些企业需进口高科技产品太贵、开发成本高 等的问题，运用我们所学习的计算机技术专业知识，在较短的时间内，以较低的成本开发出 与国外类似的高科技网络产品，帮助莆田协丰鞋模厂解决进口国外专项网络通信管理设备高 成本的问题。 1 1 本课题研究背景与意义 福建莆田协丰鞋模有限公司为一莆田市重点台资鞋模生产、制造有限公司。其在某车间 的生产线上安装有4 8 台“生产动态显示屏”( 厂方俗称其为“小看板”) ，用于显示鞋模生产 线上各岗位的生产数据，该显示屏是吴锤红教授一年前应某电子公司请求为其开发研制的， 原来用户的要求为各自独立运行的设备，每一班次每小时的生产动态数据由人工记录，之后 抄报管理部门进行统计并在车间公告白板上手抄发布。 福建莆田协丰鞋模有限公司为了提高企业的管理力度与质量，提高企业形象，增强企业 的竞争能力。希望对目前的“生产动态”显示屏进行升级改造，将各台显示屏的目标量、完 成量、b 品数及停机时间等数据通过加装的通信网络自动上传到上位机( p c 机) ，定时汇总， 生成e x c e l 格式数据，并输出到车间生产动态信息公告屏( 厂方俗称其为“大看板”) 上滚 动显示。生产动态信息公告屏为长6 4 0 点x 高3 2 0 点的双基色l e d 点阵显示屏，显示内容 为机台、班别、鞋型品名、且标量、完成量、达成率( ) 、b 晶率( ) 、操作员、组长、 停机时间、备注说明。 类似的计算机自动化管理系统已经有在境外一些大中型企业生产线上运行，协丰鞋厂一 方面要引进先进的计算机管理体系，又要降低开发成本，因此他们把目光转向国内的电子开 发单位，希望为其开发廉价又先进的计算机看板管理系统。 福建某电子有限公司承接了该项目的开发任务，但其不具备工业生产线上的复杂下位机 ( 单片机) 系统的开发能力，因此要求吴锤红教授为其提供【：业现场网络通信技术，并开发 产品。在导师带领f 。我作为研究生毕业课题参加了该项目，主要涉及硬件电路与p c b 板 设计、r s - 4 8 5 的多机通信、上位机通信软件与通信系统抗干扰设计以及到现场的安装与调 试等工作。 1 。2 本课题研究的主要内容 本深题研究的主要内容有： ( 1 ) r s - 4 8 5 通信硬件设计； ( 2 ) 多机通信协议； ( 3 ) 上僚机( p c ) 机与下位机( 单片机) 通信； ( 4 ) t 位机对生产线上采集的数据的存储t ，管理； 3 福建农林大学硕士学位论文 ( 5 ) 通信的可靠性、抗干扰性、长期稳定性与通信的效率； ( 6 ) 电路板上架设电路板的可靠性； ( 7 ) 取信道远程通信。 1 3 本课题完成的任务 历经半年研发和使用，从鞋模厂的生产实践证明，本课题已经成功完成全部要求的任务： ( 1 ) 下位机数据显示系统 ( 2 ) r s - 4 8 5 通信多机数据采集通信网络系统的架设。 ( 3 ) 上位机数据显示、数据存储与数据管理。 ( 4 ) 生产数据在长6 4 0 点高3 2 0 点的双基色l e d 点阵显示屏上滚动显示。 4 福建农林大学硕士学位论文 2 课题前期准备 本课题在2 0 0 5 年初，当时某电子有限公司曾提出要求我方提供工业现场网络开发技术， 但是由于某电子有限公司与莆田协丰有限公司关于开发成本存在争议，双方并没有达成协 议。虽然该课题受到了搁置，但是我继续进行r s - - 4 8 5 的学习与研究，其中包括制作的多 块r s - 4 8 5 通信模块，r s - 2 3 2 与r s - 4 8 5 转换器，进行r s - 4 8 5 抗干扰的研究、上位机高级语 言通信方法的学习等。由于2 0 0 5 年5 月1 0 号，接收到福建省环保科技计划项目一环境自 动监控检测数据通信的研究及后台数据统计与完善，进一步对各种通信网络开展研究，在 研究的过程积累了一定的网络通信技术与经验。 在此其间，莆田协丰鞋模厂与另一家电子有限公司达成开发协议，将开发权交与了该公 司，但是由于该公司开发的技术力量的局限，导致现场系统的数据通信始终不可靠。试运行 几个月间系统始终无法正确采集数据，因此莆田协丰鞋模厂又将开发权转回到原来商谈的电 子公司。 受该电子有限公司委托，在对r s - 4 8 5 通信技术进行详尽的分析并在考察了工业现场之 后，导师领导的课题组承诺在两个星期内为其开发完成该套系统。 5 福建农林大学硕士学位论文 3 工业现场考察 在2 0 0 5 年底，导师和我随同该电子公司相关人员去考察了莆田协丰鞋厂实际工作现场。 该厂为台资企业，主要向世界知名品牌的制鞋厂商提供鞋模。该厂每个车间厂房占地面积大 约为2 0 0 x1 0 0 平方米，车间加工鞋模冲压机大约在6 0 台左右，分为5 列，每列布置1 2 台 机器。车间卫生工作环境良好，有专门的清洁机器并由清洁工人定时清理。但是除了现场的 环境卫生做的比较好外，鞋厂工人工作条件还是较为恶劣。车间内环境温度较高，又由于车 间内布置了大容量的冲床和电葫芦且连续作业，产生的电子噪声售计较强。 我们仔细观察由另一家电子有限公司布置的数据采集显示系统，包括点阵l e d 大屏、 上位机数据采集软件、r s 2 3 2 一r s 4 8 5 转换器、通信线路，小显示看板，并听取了鞋厂的工作 人员的反映，发现该系统存在的主要问题有： 1 、上位机软件根本无法正确采集一组小看板显示数据。上位机数据采集软件无法自动 识n d , 看板是否处于断电状态。小看板送去检修时存在的小看板不在的状况，采集前必须由 人工先判断小看板是否存在等诸多问题使用起来极不方便 2 、上位机采集数据效率极低，采集现场3 2 台机以上的数据需要7 8 分钟； 3 、软件不能与数据库软件e x c e l 直接接口，每次都要由人j ：将该软件的输出的报表再 次输入到e x c e l 中等。 4 、可能其不会制作r 2 3 2 r s 4 8 5 转换器硬件，用购买的r 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，总线驱动 能力最多只有3 2 台，而工厂的小显示看扳有4 8 台以上，大于3 2 台，其购买的上位机主板 提供的r s 2 3 2 接口只有一个，因此该公司购置了双路用u s b 转r s 2 3 2 转换器，得到2 个 r s 2 3 2 虚拟串口，再转接仅有3 2 台驱动能力的r s 2 3 2 - r s 4 8 5 转换器。由于其使用虚拟的 r s 2 3 2 串口，而非主板提供的纯r s 2 3 2 硬件接n ，r s 2 3 2 通信的可靠性降低。其u s b 接口 的r 2 3 2 - r s 4 8 5 转换器硬件并没有作相应的盒子封装保护，而是随意地丢在地上。 5 、由于r s 4 8 5 在进行长距离通信时，由于受到通信距离、通信线路的质量、工业现场 的电磁干扰等制约因数，在挂通信子机时，不应用最大总线通信能力，而应小于理论驱动值。 其选用3 2 2 = 6 4 的最大总线驱动能力将来想要在扩展时带动大约6 0 台机的通信系统不 免有些勉强1 1 , 2 1 。 6 、该电子有限公司为了节约通信线路的成本，采用了普通的不带屏蔽的普通两芯电线 作为通信线路，该设计违反了r s 4 8 5 数据手册上r s 4 8 5 差分信号传输的使用通信电缆的设 计方案，r s 4 8 5 手册上规定，进行r s 4 8 5 差分信号传输时，必须使川带屏蔽的双绞线作为 通信线路r i 。 7 、剖析改装后的小看板。我们发现：另一家电子有限公司为了取得显示数据，又无法 破解原显示看板上c p u 内部程序情况_ 卜采用从原看板显示端口墩字模和片选的方法来获 得看板的显示数据，该设计方法不好，其外加的单片机系统可能会影响原系统的止常f 作， 8 、该电f = 自。限公司9 l - 7 j u 的电路扳采心胶纸将其乖直粘贴在显示看扳上。在拆开多个显 示看板后。发现胶纸在一j ：厂室内长时间高温作用- 卜已经失散，其电路扳多数悬择住显示看板 上，有的扳的焊盘已经碰剑j - 显示看板上，造成了显示看板的花屏，把悬挂的小的取字模电 路板敷卜斤彳轻示看板恢复止常显示。 6 福建农林大学硕士学位论文 4 技术要求 由于我们对工业现场网络系统进行了大量的学习与准备，并对协丰鞋模工业现场进行了 细致的考察后，由导师吴锤红带领的课题小组研究后同意承担起该课题，并与福建省某电子 公司签订了技术合同。 4 1 技术内容及性能要求 用户方生产线上原来安装有4 8 台“生产动态显示屏”，各自为一独立运行系统，其每一 班次每小时的生产动态数据由人工进行纸记录，之后抄报管理部门进行统计并在车间公告白 板上手抄发布。 根据使用方的要求，将对目前4 8 台“生产动态显示屏”进行改造，使所有的显示屏通 过现场工业总线联网。各台的目标量、完成量、b 品数及停机时间通过加装4 8 5 网络自动记 录到上位端控制电脑，定时汇总，生成e x c e l 格式数据，并输出到车间生产动态信息公告屏 上滚动显示。 生产动态信息公告屏为长6 4 0 点高3 2 0 点的双基色l e d 点阵显示屏，显示内容为机 台、班别、鞋型品名、目标量、完成量、达成率( ) 、b 品率( ) 、操作员，组长、停机 时间、备注说明。 其中， 达成率( ) = ( 完成量目标量) 1 0 0 ( 保留一位小数)( 4 1 ) b 品率( ) = ( b 品数( b 品数+ 完成量) ) x 1 0 0 ( 保留一位小数) “2 ) 机台名称根据“生产动态显示屏”顺序编号由程序查表生成，班别、鞋型品名、操作员、 组长、备注说明由人工录入，停机时间为本班次“生产动态显示屏”蓝灯亮起后的累计时间， 单班有效，换班清零，采样方式另定。 7 福建农林大学硕士学位论文 4 2 软件界面 图4 1 “生产动态”显示屏数据采集显示系统上位机软件界面 上位机软件界面设计说明，如图4 1 所示，其中： ( 1 ) 软件界面分为上面的显示部分和下面的设定操作部分，软件界面的位置及边框设 定为不可用鼠标拖动。 ( 2 ) 显示部分对应l e d 显示屏，大小为6 4 0 点3 2 0 点。 ( 3 ) 界面的默认位置为屏幕的左上方。 ( 4 ) 颜色指定代表表格内容的颜色，当满足某条件时采用相应的文本。 ( 5 ) 班次设定的三个文本框由由用户输入任意的字母，锁定大写。 ( 6 ) 滚动的复选框中有四种选定方式： 选定“所有机台”：此时显示部分显示当班采集的所有机台数据； 选定“b 品率大于5 ”：此时显示部分显示所有b 品率火y - 5 的机台数据： “ 选定“达成率小y - 8 5 ”和“b 品率人丁5 ”：此时显示部分显示“达成率小丁 8 5 ”和“b 龆率人r 5 ”考l 台数据： 注： 福建农林大学硕士学位论文 只要选定“所有机台”，不管是否选定其他两个复选框，均默认“所有机台”有效。 2 屏幕的位置可调整软件界面的位置，参考点为左上角坐标； 3 读取延迟表示整点响铃多少分钟后，上位机开始读取数据： 4 翻屏速度表示每隔多少秒钟翻屏一次，当翻屏速度设定位为“0 ”时，停止翻屏； 导入模板的功能是将人工录入的班别、鞋型品名、操作员、组长、备注说明导入， 模板可采用t x t ，x l s 等格式； 6 导出e x c e l 的功能是将表格数据导出为e x c e l 文件。可任意指定路径名和文件名。 4 3 任务分解 1 、甲方( 福建省某电子公司) 承担任务： ( 1 ) 负责系统的网络布线和电源改造： ( 2 ) 负责与乙方的沟通： ( 3 ) 负责所有“生产动态”显示屏附加电路的焊接、安装； ( 4 ) 负责现场安装、调试； ( 5 ) 负责软件界面效果设计； ( 6 ) 在乙方开发研制过程中，对技术性能作出必要的解释； ( 7 ) 负责样品板p c b 的加工及器件的采购。 2 、乙方( 吴锤红教授) 承担任务： ( 1 ) 根据技术内容及性能要求，负责系统的设计，包括“生产动态”显示屏附加电路 的设计，单片机软件及上位机软件的设计与开发； ( 2 ) 负责附加电路样品p ( = b 板的布线设计并提供器件清单： ( 3 ) 将设计完整的单片机软件目标代码、上位机软件源代码、线路板布线图、硬件原 理图、附加电路样板提供给甲方，并提供一份有关说明的文字资料； ( 4 ) 负责派一名技术员协同甲方到现场进行调试工作； ( 5 ) 系统在试运行过程中，若出现稳定性、可靠性或其他问题，乙方应及时派人与甲 方人员一起解决。系统验收后，有关软件问题，乙方应及时给予修改，有关硬件问题，乙方 应及时向甲方提供修改方案，并协助解决。 福建农林大学硕士学位论文 5 硬件系统设计 5 1 前期硬件设计思路 在进行工业现场考察分析后并且根据福州电子城芯片的供应情况，我们决定采用通信芯 片( m a x 4 8 7 ，1 2 8 台机总线负载能力) ，将下住机( a t 8 9 s 5 2 ) ，经波士公司提供的 r s 2 3 2 - r s 4 8 5 转换器( 2 5 6 台机总线负载能力) 与上位机( p c 机，w m d o w sx p 操作系统) 构 成网络，再将p c 机显示屏上的数据导出到点阵l e d 屏显示滚动显示生产状况【1 2 , 3 , 4 , 5 一。硬件 系统构成框图，可见图5 1 。 电 r s 2 3 2 - r , s 4 8 5 转, 换嚣 图5 1 硬件系统构成原理框图 锊 锊 5 2r $ - 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s _ 4 8 5 关键技术分析 5 2 1l 噶2 3 2 、r s ，4 2 2 与r s - 4 8 5 的由来 r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子i 业协会( e i a ) 制订并绽布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a 2 3 2 - e ，作为【：业标准，以保证不同厂 家产品之间的兼容。r s 4 2 2 由r s - 2 3 2 发展而米，它是为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。为 改进r s 一2 3 2 通信距离短、速率低的缺点r s - 4 2 2 定义了一种平衡传输通信接口，将传输速 率提高到1 0 m b s ，传输距离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低丁| 1 0 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡总 线上连接最多1 0 个接收器。r s - 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被 命名为曰a ，e n - 4 2 2 a 标准。为扩展府h 范围，e i a 艾t1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上制定了 l o 磴盈幽 福建农林大学硕士学位论文 r s - 4 8 5 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，扩展了总线共模范围，后命名为t i a e i a - 4 8 5 - a 标准。由于e i a 提出的建议标准都是以“r s ”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯 将上述标准以r s 作前缀称谓。 r s - 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 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拂议。因此在视频界的应用，许多厂家都 建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像机厂家中的s o n y 与松下对录像 机的r s - 4 2 2 控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协议则更多了，如l o u t h ，o d e t i s 协议是公开的，而p r o l i n k 则是基于p r o f d e 上的1 2 】。 5 2 2r s - 2 3 2 串行接口标准 目前r s - 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种 在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端 通讯收，发端的数据信号是相对于信号地，如从d t e 设备发出的数据在使用d b 2 5 连接器 时是2 脚相对7 脚( 信号地) 的电平，d b 2 5 各引脚定义，参见图5 2 。 2 5 2 4 2 3 2 2 2 l o t r2 0 i 9 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 l o 9 棚 矗 7 g 帅 5d s r 5c t s 4町s 3r x 2t x i 图5 2r s 一3 2 2d b 2 5 连接器引脚图 典型的r s - 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 + 5 + 1 5 v 负电平在- 5 1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t r l ，从开始传送数据到结 束，线上电平从t r l 电平到r s - 2 3 2 电平再返回1 i l 电平。接收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与3 一1 2 v 。由于发送电平与接收电平的羞仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力 差，再加上般绞线上的分布电容，其传送距离最大为约1 5 米，最i 囱i 速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 趋为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的。其驱动器负载为3 7 l c q l 2 , 7 , 3 2 , 3 3 j 。所 以r s - 2 3 2 适合本地设备之间的通信。其有关电气参数，参见表5 1 。 福建农林大学硕士学位论文 表5 1r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 有关电气参数 规定 r $ 2 3 2r s 4 2 2r $ 4 8 5 工作方式m差分差分 节点数1 收、1 发1 发1 0 收l 发3 2 收 最大传输电缆长度5 0 英尺4 0 0 英尺4 0 0 英尺 最大传输速率a 【= b f s1 0 m b s1 0 m b s 最大驱动输出电压+ - 2 5 v0 2 5 v + 6 v- 7 v + 1 2 v 驱动器输出信号电平+ - 5 v + - 1 5 v+ - 2 0 v+ | 1 。5 v ( 负载最小值) 驱动器输出信号电平| 删 玉n| t n ( 空载最大值) 驱动器负载阻抗) 3 k 7 k1 0 05 4 摆率( 最大值) 3 0 v s n a n a 接收器输入门限 o 、 + ，2 0 0 m v + 2 0 0 m v 接收器输入电阻) 3 k 7 k 4 k ( 最小1 - - 1 2 k 驱动器共模电压- 3 v + 3 v1 v + 3 v 接收器共模电压 7 v + 7 v一7 v + 1 2 v 5 2 3r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 串行接口标准 1 、平衡传输 r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 与r s - 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它 使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图5 3 。 庠； k r r s s _ 4 - 4 8 2 5 2 必n - j 须选_ 一一# = 一一j l 许潮 一一一j 一一! 一4 电压 1 _ t r 一潜 一一卜f i 一下一。 。j t 电压容许范固 图5 3r s - 4 2 2 平衡差分输出线驱动 福建农林大学硕士学位论文 通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态，负电平在 - 2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s 郴5 中还有一“使能”端，而在 r s - 4 2 2 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当 “使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1 ” 与“0 ”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连，当 在收端a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于2 0 0 m v 时，输出负逻辑 电平收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之间接收平衡线上的电平范围通常 在2 0 0 m v 至6 v 之间。参见图5 4 。 y 伽为输入共模电压允许范围。 一7 v sv c m 妄+ t v 图5 4r s 4 2 2 平衡差分输入线驱动 传镯电压过渡：葙圈 接收犄入典型帚后值 = 5 0 _ y 2 、r s - 4 2 2 电气规定 r s 4 2 2 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。 图5 5 是典型的r s 4 2 2 四线接口。实际上还有一根信号地线，共5 根线。图5 6 是其d b 9 连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比r s 2 3 2 更强的驱动能力，故 允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接1 0 个肖点。即一个士殴备( m a s e r ) ，其 余为从殴备( s a l v e ) ，从设备之间不能通信，所以r s 4 2 2 支持点对多的双向通信。接收器 输入阻抗为4 k ，故发端最大负载能力是1 0 4 k + 1 0 0 q ( 终接电阻) 。r s 4 2 2 四线接口由于 采_ | = i j 单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，备装置之间任何必须的信号交换均可 以按软件方式( x o n x o f f 握手) 或硬件方式( 一对单独的般绞线) 福建农林大学硕士学位论文 r g 磊手了f 千磊i l ! 警苎磐墨 苎苎jl ，兰量竺兰苎竺! j g 一发送驱动嚣 r 一接收驱动嚣 上一信号地 上一保护地与机壳地 g v 6 一黄绿线或电源地 图5 5 典型的r s - 4 2 2 四线网络 t ) ( 8 r xb + g v g n d t xa 默a g n d 图5 6r s 4 2 2d b 9 连接器引脚定义 r s - 4 2 2 的最大传输距离为4 0 0 0 英尺( 约1 2 1 9 米) ，最人传输速率为1 0 m b s 。其平衡 双绞线的艮晓与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下，才可能达到最人传输距离。只有在 很短的距离f 才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米妖的双绞线上所能获得的最大传输速率仅 为1 m b s 。r s - 4 2 2 需要一终接电阻要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传 输时可不需终接电阻即一般在3 0 0 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。 r s - 4 2 2 有关电气参数见表5 1 。 3 、r s - 4 8 5 电气规定 由rr s - - 4 8 5 是从r s - 4 2 2 基础e 发展而米的，所以r s - 4 8 5 许多电气规定与r s - 4 2 2 相 1 4 福建农林大学硕士学位论文 仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上终端接电阻等。r s 4 8 5 可以采用二线与四 线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图5 7 。而采用四线连接时，与r s - 4 2 2 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主( m a s t e r ) 设备，其余为从设备，但它比r s 4 2 2 有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到3 2 个设备，参见图5 8 。 h 睢 醒 w 4 图5 7m a x 4 8 1 m a x 4 8 3 m a x 4 8 5 m a x 4 8 7 m a x l 4 8 7 典型的半双工r s - 4 8 5 网络 幢 的 难 t e ：琵a n d d e 甜m a x 4 8 9 1 f a k x 4 0 1o n l y 图5 8m a x 4 8 8 - m a x 4 9 1 全双3 - r s - 4 8 5 网络 r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 的不同还在于其共模输出电压是不同的，r s - 4 8 5 是至+ 1 2 v 之间。 而r s - 4 2 2 在一7 v 至+ 7 v 之间，r s 4 8 5 接收器最小输入阻抗为1 2 k t q ，r s - 4 2 2 是4 k o 。r s - 4 8 5 满足所有r s - 4 2 2 的规范，所以r s - 4 8 5 的驱动器可以用在r s - 4 2 2 网络中廊川。r s - 4 8 5 有芙 电气规定参见表5 1 。 r s - 4 8 5 与r s - 4 2 2 一样，其最人传输距离约为1 2 1 9 米，最人传输速率为l o m b s 。平衡 叔绞线的k 艘与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以f ，才可能使用规定最k 的电缆跃度。 只有在很短的距离r 才能获得晟高速率传输。一般1 0 0 米长双绞线最人传输速率仅为1 m b s 。 r s 4 8 5 需要2 个终接电阻，其阻值要求等r 传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时u ， 不需终接电阻，即一股n ：3 0 0 米以r 小需终接电阻。终接电阻接在传输总线f 门眄端口l 。 1 5 福建农林大学硕士学位论文 5 2 4r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 的网络安装注意要点 r s - 4 2 2 可支持1 0 个节点，r s - 4 8 5 支持3 2 个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一 般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点： ( 1 ) 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线 长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图5 9 所示为实际应用 中常见的一些错误连接方式( 玉c ，e ) 和正确的连接方式( b ，d ，f ) 。a c ，e 这三种网络 连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的 提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造 成信号质量下降。 ( 2 ) 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种 情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器 紧靠在起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，应该提供一条单一、连续的信号 通道作为总线。 二 o = o 米旧 图5 9r s - 4 8 5 避信机台一些连线方式 但其时实际应用中由于厂房的格局，实际需要通信终端机台的不固定，往往导致通信线 路的布置比幽5 9 中a e 的接线方式更不规范，通常有效的解决办法是在线路分支节点处 加入1 2 0q 匹配电阻抗干扰p l 。 5 2 sr s - 4 2 2 与l 咯4 8 5 传输线上匹配的一些说明 对r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 总线网络一般婴使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率卜 可以不用考虑终端匹配。那么住什么情况f 不用考虑匹配呢? 理论上，在每个接收数据信号 的中点进行采样时，只要反射信号在丹始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实 际上难以掌握美国m a x i m 公司有篇乏蕈提到一条经验性的原州可以用来判断住什么样的 1 6 r 福建农林大学硕士学位论文 数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时甸( 上升或下降时间) 超过电信号沿 总线单向传输所需时间的3 倍以上时就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的r s 4 8 5 接口 m a x 4 8 3 输出信号的上升或下降对问最小为2 5 0 r n ，典型厩绞线上黔信号传输速率约为 0 2 m m ( 2 4 a w gp v c 电缆) ，那么只要数据速率在2 5 0 k b s 以内、电缆长度不超过1 6 米， 采用m a x 4 8 3 作为r s - 4 8 5 接口时就可以不加终端匹配。一般终端匹配采用终接电阻方法。 前文已有提及，r s - 4 2 2 在总线电缆的远端并接电阻，r s - - 4 5 5 则应在总线电缆的开始和末端 都需并接终接电阻。终接电阻般在r s - 4 2 2 网络中取1 0 0 q ，在r s - 4 8 5 网络中取1 2 0 q 。 相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在1 0 0 1 2 , 0 0 。这种匹 配方法简单有效，但有一个缺点。匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统 不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是r c 匹配，如图5 1 0 。利用一只电容c 隔断直流 成分可以节省大部分功率。但电容c 的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。 还有一种采用二极管的匹配方法，如图5 1 l 。这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用 二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著吲。 圈5 1 0r s - - 4 8 5 总线上用r c 的匹配法 图5 1 1r s - - 4 8 5 总线上用二极管的匹配法 5 2 6r s - 4 2 2 与r s - 4 8 s 的接地问题 电子系统接地是很重要的但常常被忽视。接地处理不当往往会导致电子系统不能稳定 f ：作其至危及系统安全。r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 传输网络的接她同样也是缀重要的，冈为接地系 统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其艇先i ：作环境比较恶劣币i 传输距离较远的情况。卜， 1 7 福建农林大学硕士学位论文 对于接地的要求更为严格。否则接口损坏率较高。很多情况下，连接r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 通信 链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“a ”、“b ”端连接起来。而忽略了信号地的 连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有下面二个原 因： ( 1 ) 共模干扰问题：正如前文已述，r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 接口均采用差分方式传输信号 方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。 但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，如r s - 4 2 2 共模电压范围为- 7 + 7 v ，而 r s - 4 8 5 收发器共模电压范围为- 7 + 1 2 v ，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当 网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠。甚至损坏接口。以图5 t 2 为 例，当发送驱动器a 向接收器b 发送数据时，发送驱动器a 的输出共模电压为v o s ，由于 两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差v g m 。那么，接收器输入端的共模电 压v 就会达到v c m = v o s + v g p d 。r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准均规定v o s 一 3 v ，但v g t m 可能会 有很大幅度( 十凡伏甚至数十伏) ，并可能伴有强干扰信号，致使接收器若模输入v c u 超出 正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。 圈5 1 7 驱动线路上电压v 僦、v o s 、v g r e ( 2 ) ( e m l ) 问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个 低阻的返回通道( 信号地) ，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线 向外辐射电磁波。由于上述原因，r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 尽管采用差分平衡传输方式，但对整个 r s 4 2 2 或r s - 4 8 5 网络，必须有一条低阻的信号地。一条低阻的信号地将两个接口的工作地 连接起来，使共模干扰电压v g p d 被短路。这条信号地可以是额外的一条线( 非屏蔽双绞 线) ，或者是屏蔽烈绞线的屏蔽层。这是晟通常的接地方法。值得注意的是，这种做法仅对 高阻型共模干扰有效，由于干扰渊内阻人，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信 不会有很大影响。当共模干扰源内阻较低时，会在接地线上形成较人的环路电流，影响正常 通信。笔者认为，可以采取以f 二种措施： ( b 如果干扰源内阻不是非常小，可以往接地线上加限流电阻以限制干扰电流。接地电 阻的增加可能会使共模电压升高，但只要控制在适当的范周内就不会影响止常通信。 采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大 地相连。不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔 离侧的公共端与其它接口的工作地相连【2 l 参见图5 1 3 。 图5 1 3 采用隔离接口 5 2 7r s 4 2 2 与r s 稻5 的网络失效保护 r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准都规定了接收器门限为2 0 0 m v 。这样规定能够提供比较高的噪 声抑制能力，如前文所述，当接收器a 电平比b 电平高+ 2 0 0 m v 以上时，输出为正逻辑， 反之，则输出为负逻辑。但由于第三态的存在，即在主机在发端发完一个信息数据后，将总 线置于第三态，即总线空闲时没有任何信号驱动总线，便a b 之间的电压在一2 0 0 + 2 0 0 m v 直至趋于0 v ，这带来了一个问题：接收器输出状态不确定。如果接收机的输出为0 v ，网络 中从机将把其解释为一个新的启动位，并试图读取后续字节，由于永远不会有停止位，产生 一个帧错误结果，不再有设备请求总线，网络陷于瘫痪状态。除上述所述的总线空闲会造成 两线电压差低于2 0 0 m v 的情况外，开路或短路时也会出现这种情况。故应采取一定的措旃 避免接收器处于不确定状态。 图5 1 4 总线上加入偏置电阻 1 9 福建农林大学硕士学位论文 通常是在总线上加偏置，当总线空闲或开路时，利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的 状态( 差分电压- 2 0 0 m v ) 。如图5 1 4 。将a 上拉到地，b 下拉到5 v ，电阻的典型值是1 k o ，具体数值随电缆的电容变化而变化。 上述方法是比较经典的方法，但它仍然不能解决总线短路时的问题，有些厂家将接收门 限移多j - 2 0 0 m v - 5 0 m v ，可解决这个问题。例如m a x i m 公司的m a x 3 0 8 0 系列r s - 4 8 5 接口， 不仅省去了外部偏置电阻，而且解决了总线短路情况下的失效保护问题 2 1 。 5 2 8r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 的瞬态保护 前面提到的信号接地措施，只对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干 扰就无能为力了。由于传输线对高频信号而言就是相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接 地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。 实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如电机、变压器、 继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏 r s d 2 2 或r s - 4 8 5 通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。 ( 1 ) 隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由 于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频 变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离，己有器件厂商将所有这些元件集成在一片i c 中， 使用起来非常简便，如m a x i m 公司的m a x l 4 8 0 m a x l 4 9 0 ，隔离电压可达2 5 0 0 v 。这种方 案的优点是：可以承受高电压、持续时间较长的瞬态干扰，实现起来也比较容易，缺点是成 本较高。 o 2 秒。 6 3 上位机与下位机或前端机的通信协议 包内容：子机号，包长度n ，命令，命令参数，异或和 字节数： 111 n - 31 说明： 子机号：为0 0 时是特殊下位机( 即数据中转机) ，0 1 f e 为前端机，f f 为厂_ 播方式号 在广播方式下子机不发送回应信息； 包长度：为除了子机号以外所有数据( 含异或和) 的字节数总币i 。当包长度等丁j3 时， 没有命令参数：包欧度小于3 时为非法值； 异或和：不含子机号和本身。 6 4 下位机与上位机，前端机与下位机的通信协议 包内容：包k = 度n ，子机号数据，异或和 字j ，数： 1ln 31 福建农林大学硕士学位论文 说明： 包长度：为所有数据( 含异或和) 的字节