（通信与信息系统专业论文）基于modbus协议的冷库智能监控系统设计.pdf

1 1 1 11 1i ii i iiiei iii iiii y 19 3 2 9 8 0 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 论文作者签名： 荟备 日期：舌序勇1 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权海南大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 导师签名： 日期：和j 年多月7 日 本人已经认真阅读 c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交 ： c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。回塞途塞埕銮 唇进蜃；旦兰生i 旦= 生i 目三生筮塑。 论文作者签名巷徉 日期：汐7 1 年箩月2 i f 日 导师签名豸 日期：1 1 年g 月) 目 蒋 李妯 轹净签叫 者 作 ： 文期 论日 海南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着人们生活水平的不断提高，食品的安全受到广泛的关注，而冷库作为食品保存 的主要场所，对其进行科学有效的监控是保证食品安全的重要条件。冷库监控系统作为 冷库管理的平台，设计一套针对性强的、智能化程度高的监控系统具有重要意义。本文 根据冷库中食品保存的特殊性，提出一套基于m o d b u s 协议的冷库智能监控系统解决方 案，并对其硬件和软件进行了详细的设计。通过设计监控模块和监控软件，结合r s 4 8 5 总线搭配m o d b u s 通信协议组成网络，实现对冷库各冷藏室内温度、湿度和光照度的实 时监控。 本课题监控模块选用基于c o r t e x m 3 内核的单片机l m 3 s 6 0 0 作为控制器，设计硬 件电路和监控程序，监控中心监控软件选用l a b v i e w 作为软件开发平台，整个冷库监 控系统通过r s 4 8 5 总线组成网络，把监控中心计算机作为主机，各个冷藏室监控模块作 为从机，采用m o d b u s 协议“主一从”方式通信，利用监控中心计算机上监控软件监控整 个冷库系统。通过监控软件可以实时采集各冷藏室内温度、湿度和光照度数据，并对采 集的数据做分析处理、报警提示、曲线显示和定时保存，同时也可由监控软件调控各冷 藏室内温度、湿度和光照度状况。 本课题对设计的冷库智能监控系统进行了m o d b u s 通信测试和监控模块功能测试， 通过测试结果表明，本冷库监控系统实时性好，稳定性高、抗干扰能力强、智能化程度 高，达到了设计目的和要求，具有广泛的实际应用价值。 关键词： m o d b u s 协议c o r t e x m 3r s 4 8 5l a b v i e w 海南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di m p r o v e d ，t h ef o o ds a f e t yh a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni n s o c i e t y , e s p e c i a l l yt h er e f r i g e r a t e ds t o r a g e ，t h em a i np l a c eo ff o o dp r e s e r v a t i o n ，i tn e e d st h e s c i e n t i f i ca n de f f e c t i v em o n i t o rt og u a r a n t e et h ef o o df r e s ha n ds a f e t y t h em o n i t o rs y s t e mi s t h em a n a g e m e n tp l a t f o r mo fr e f r i g e r a t e ds t o r a g e ，s oi ti s i m p o r t a n tt od e s i g nas e t o f w e l l - p o i n t e d a n di n t e l l i g e n tm o n i t o rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e p a r t i c u l a r i t y o ff o o d p r e s e r v a t i o ni nt h er e f r i g e r a t e ds t o r a g e ，as e to fs o l u t i o np r o g r a m so ft h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r s y s t e ma r ep r o p o s e db a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o l ，a n di t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea l s o d e s i g n e di nd e t a i l t h r o u g ht h ed e s i g no fm o n i t o rm o d u l ea n ds o f t w a r e ，c o m b i n e dw i t ht h e b u sn e t w o r km o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，t h es y s t e mc a na c h i e v et h er e a l t i m em o n i t o r t ot h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dl u m i n o s i t yo fe v e r yr o o mo ft h er e f r i g e r a t e dc h a m b e r t h em o n i t o rm o d u l eo ft h i sa r t i c l es e l e c t st h el m 3 s 6 0 0m i c r o c o n t r o l l e rb a s e do n c o r t e x m 3c o r ea st h ec o n t r o l l e r ，a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dc o n t r o lp r o c e d u r e s ， t h em o n i t o rs o f t w a r eo ft h ec o n t r o lc e n t e ru s e st h el a b v l e wa sas o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，t h em o n i t o rs y s t e mn e t w o r ko ft h ew h o l er e f r i g e r a t e dc h a m b e ri sm a d eb yt h ew a y o fr s 4 8 5w i r e ，a n di tt a k e st h em o n i t o rc e n t e rc o m p u t e ra st h eh o s t ，e a c hc o n t r o lm o d u l e so f t h er e f r i g e r a t e dc h a m b e ra r ea st h es l a v e ，i ta l s ou s e st h e ”m a s t e r - s l a v e ”a st h em o d eo f c o m m u n i c a t i o n sw i t ht h em o d b u sp r o t o c o l ，s ot h a tt h em o n i t o rs o f t w a r ei nt h ec o m p u t e r so f t h em o n i t o rc e n t e rc a l lb eu s e dt od e t e c tt h ee n t i r er e f r i g e r a t e ds t o r a g e b yt h em o n i t o r s o f t w a r eo ft h es y s t e m ，w ec a r lc o l l e c tt h er e a l t i m et e m p e r a t u r ei ne a c hr e f r i g e r a t e dc h a m b e r , t h eh u m i d i t ya n dt h el i g h t , a n a l y s e sa n dd e a lw i t ht h e s ed a t ac o l l e c t e d , s u c ha st h ea l a r m p r o m p t ，t h ec u r v ed i s p l a ya n dt i m i n gr e s e r v e d ，a l s oc a i lc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e ，t h eh u m i d i t y a n dt h el i g h tc o n d i t i o ni ne a c hr e f r i g e r a t e dc h a m b e rt h r o u g ht h em o n i t o rs o f t w a r e t h ea r t i c l eh a sd o n eas e r i o u so fm o d b u sc o m m u n i c a t i o nt e s t sf o rt h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r s y s t e ma n dt h em o n i t o rm o d u l ef e a t u r et e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em o n i t o rs y s t e m d e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sah i g hq u a l i t yo ff e a t u r e s ，s u c ha st h eg o o dr e a l t i m e ，h i 【g hs t a b i l i t y ， a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dh i g hi n t e l l i g e n c e ，i tc a na c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n da l s o d o c u m e n tt h a ti th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s k e y w o r d ：m o d b u sp r o t o c o l c o r t e x m 3r s 4 8 5l a b v i e w 海南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪 仑1 1 1 课题研究背景l 1 2 课题研究的目的与意义1 1 3 课题的研究内容l 1 4 论文框架2 2 相关技术介绍3 2 1m o d b u s 协议概述3 2 1 1m o d b u s 协议简介3 2 1 2m o d b u s 两种传输方式4 2 1 3m o d b u s 信息帧5 2 1 4m o d b u s 错误检查方法6 2 2 r s 4 8 5 介绍7 2 3c o r t e x m 3 微处理器7 3 系统总体设计一1 0 3 1 需求分析10 3 2 系统构成方案l o 3 2 1 系统的监控模块设计方案11 3 2 2 系统监控软件设计方案1 2 3 2 3 系统网络组建方案12 3 3 系统工作原理1 3 4 系统硬件设计与实现1 4 4 1 监控模块硬件设计14 4 1 1 主要器件选择14 4 1 2 监控模块核心电路设计1 7 4 2r s 2 3 2 r $ 4 8 5 转换器硬件设计2 2 4 2 1r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器关键芯片的选择2 2 4 2 2 转换器核心电路设计2 4 5 监控模块软件设计2 7 5 1 开发环境介绍2 7 5 2 软件总体设计2 8 5 3 初始化程序设计2 9 5 3 1j t a g 初始化3 0 5 3 2 时钟初始化3 0 海南人学硕士学位论文目录 5 3 3 系统节拍定时初始化3 l 。5 3 4u a r t 初始化3l 5 4 采集数据程序设计3 2 5 5 控制程序设计3 6 6 系统m o d b u s 通信实现3 7 6 1 监控模块通信设计一3 7 6 1 1 串口通信程序设计3 7 6 1 2 接收数据帧处理程序设计一3 9 6 1 3 返回数据帧程序设计4 l 6 2 上位机监控软件设计4 4 6 2 1 开发环境介绍一4 4 6 2 2 上位机监控界面设计4 4 7 总结与展望4 6 7 1 全文总结4 6 7 2 展望4 6 参考文献4 7 附录a ：监控模块电路原理图5 0 附录b ：r s 2 3 2 r $ 4 8 5 转换器电路图5 2 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 3 后记一5 4 i v 海南大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究背景 随着国民经济的不断发展，人民物质生活的不断提高，百姓对食品安全也格外重视 起来，对食品的新鲜程度，营养价值和食品保鲜等方面的都有很高的要求。比如，同一 种食品，保鲜程度好的与保鲜程度差的二者之间的价格差距很大【1 j 。根据国家调查显示， 每年我国生产的食品有很大一部分因保质不善导致了大量经济损失，所以要对食品进行 妥善的冷藏保存f 2 】【3 1 。冷库作为货物保存的重要场所，因食品的易变质特性使冷库管理 过程复杂多变，要利用冷库监控系统对冷库进行实时监控。随着科学技术的不断更新， 计算机技术、网络布线技术、传感器技术等技术的不断发展，冷库监控系统的智能化、 信息化程度也越来越高。典型的冷库监控系统主要由现场的控制采集模块和远程监控计 算机构成，控制采集模块用来完成冷库现场环境监控，远程计算机通过专业的监控软件 监控整个冷库系统 4 】【5 】。通过冷库监控系统，管理员借助于监控软件无须亲临现场就可 以监视和控制整个冷库。目前存在的冷库监控系统大都成本高、功能单一、智能化程度 差，所以研究如何实现一套低成本、功能强大、信息化和智能化程度高的冷库监控系统 具有重要意义。 1 2 课题研究的目的与意义 大型的冷库存放的货物种类繁多，而每种生鲜货物对温湿度、光照度的要求都大不 相同，所以对不同的生鲜货物被分开来存放在不同的冷藏室内1 6 】【丌。为了保证生鲜货物 的质量，要经常查看冷库冷藏室内的货物环境状况，确保生鲜货物保存所需的环境要 求【8 1 。对于一个大型的冷库来说，有多个冷藏室，如果要靠工作人员依次去检查这些冷 藏室，显然不太现实，不仅成本太大，而且效果低。本文针对上述问题结合冷库货物保 存的特殊性设计一个基于m o d b u s 协议的冷库智能监控系统来管理整个冷库。首先针对冷 藏室监控的特殊性，结合c o t e x m 3 内核芯片的低功耗、低成本、高效率优势，设计一 个智能监控模块用于监控冷藏室环境状态，然后利用r s 4 8 5 总线搭配m o d b u s 通信协议组 成网络，通过智能监控软件监控整个系统。该智能监控系统能够让工作人员在p c 机上通 过智能化监控软件来查看各个冷藏室内的温湿度和光照度数据，设置与冷藏室内货物所 需要的环境参数，达到冷库管理智能化。 1 3 课题的研究内容1 本文提出了一套基于m o d b u s 协议冷库智能监控系统的解决方案，通过r s 4 8 5 总线 海南大学2 l l 工程中央专项资金项目( t h e2 1 1p r o j e c tc e n t r a ls p e c i a lf u n do f h a i n a nu n i v e r s i t y ) l 海南大学硕士学位论文 1 绪论 组成系统网络，并对系统的硬件和软件做出详细的设计。主要研究内容：完成冷藏室监 控模块硬件和软件设计，监控中心监控软件的设计，r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口转换模块。 监控模块：设计监控模块硬件电路，编写监控模块程序。 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口转换模块：设计一个r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，用于r s 2 3 2 电平和 r s 4 8 5 电平的转换。 监控软件：在p c 机上设计人性化监控软件，通过该监控软件设置监控模块参数和 下达指令，采集冷藏室内的环境状态数据，调节冷藏室内环境状态。 1 4 论文框架 本论文共由七章构成，内容组织如下： 第一章绪论。简单的介绍了本课题的研究背景、目的与意义以及主要研究内容。 第二章系统相关技术介绍。介绍了冷库智能监控系统涉及到的相关技术，包括 m o d b u s 通信协议及其实现方式，r s 4 8 5 总线和c o r t e x m 3 微处理器。 第三章系统总体设计。从课题的需求分析入手，论述冷库智能监控系统的方案构成 和系统工作原理。 第四章系统的硬件电路设计。主要分监控模块硬件电路设计和r s 4 8 5 转换器硬件电 路设计，介绍主要芯片的参数和主要电路模块接口电路。 第五章监控模块的程序设计。设计监控模块主程序、相应的采集程度以及控制程序。 第六章系统m o d b u s 通信实现。研究监控模块和监控中心计算机之间通信方式，设 计出系统监控软件。 第七章全文的总结与展望。总结本文的主要工作和不足之处以及课题下一步要做的 工作。 海南大学硕士学位论文2 相关技术介绍 2 相关技术介绍 本课题设计的冷库智能监控系统首先设计一款以c o r t e x m 3 内核单片机作为微控制 器的监控模块，并将其应用于冷库各冷藏室，然后结合监控中心计算机通过r s 4 8 5 总线 搭配m o d b u s 协议组成网络，通过监控中心计算机上的监控软件监控整个系统。本章针 对冷库智能监控系统涉及的相关技术进行简单介绍，主要包括m o d b u s 通信协议、r s 4 8 5 网络总线以及c o r t e x m 3 微控制器技术。 2 1m o d b u s 协议概述 2 1 1 m o d b u s 协议简介 m o d b u s 协议是一种广泛应用于电子控制器上的通用语言，通过该协议，控制器相 互之间、控制器和其它设备之间经网络可以互相通信。该协议现已成为工业控制领域中 的一种通用标准【9 】【1 0 】。利用m o d b u s 协议，可以让不同厂商生产的控制设备连成网络， 进行系统集中的监控。由于开放性、可扩充性和标准化使m o d b u s 协议成为工业控制领 域中最流行的协议之一1 1 2 】。 m o d b u s 协议通过定义一个能够被控制器认识和使用消息结构，而不考虑他们之间 是通过那种网络通信。它描述控制器请求访问设备的过程、设备如何回应控制器的请求。 在m o d b u s 网络上通信时，m o d b u s 协议规定每个从机须要知道它们的设备地址，识别 按地址发来的消息，决定要产生何种行动，从机回应生成的反馈信息。而在其它网络上 传输时，只需将m o d b u s 协议的消息转换为能够此网络上通信的帧结构【1 3 】。 ( 1 ) 在m o d b u s 网络上传输 在m o d b u s 网络上传输，控制设备之间通信通常使用主从技术，通常选取一个设备 做主机，其它设备做从机。通信时从设备根据主设备查询提供的数据做出相关反应。主 设备可以单独和一个从设备通信，也可以通过广播方式和所有从设备通信。单独通信时， 从设备要有一回应消息返回主设备；广播方式通信时，从设备不需作任何回应【1 4 】【1 5 】。 对于从设备的回应消息，要按m o d b u s 协议规定的格式建立回应帧。如果从设备在 消息接收或者处理过程中发生异常，m o d b u s 协议根据对应异常码的建立异常回应消息 返回主设备【j6 j 。 ( 2 ) 在其它类型网络上传输 在其它网络传输时，控制器采用对等技术进行通信，所以任意一个控制器都可以初 始化并能和其它控制器通信【l 刀。因此，一台控制器既可作为主设备，也可作为从设备。 但在信息位，m o d b u s 协议仍采用主从方式。如果一控制器发送一消息，它只是作为主 3 海南大学硕士学位论文 2 相关技术介绍 设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回 应格式并返回给发送的控制器。 ( 3 ) 查询一回应周期 主设备查询消息 设备地址 功能代码 数据 校验码 设备地址 功能代码 数据 校验码 从设备回应消息 图2 1 罾询一匹| 厦周期爱 ( 1 ) 查询 查询消息中的功能代码告知被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备 要执行功能的附加信息。例如功能代码0 3 是查询从机，读保持寄存器，并用寄存器的 内容作响应。该数据区必须含有告知从机读取寄存器的起始地址及数量，错误校验区的 一些信息，为从机提供一种校验方法，以保证信息内容的完整性【1 8 】。 ( 2 ) 回应 从机正常响应时，响应功能码是查询功能码的应答，数据字节包含从机采集的数据： 寄存器值或状态。如果发生错误，则需要修改功能码说明为错误响应，同时还要在数据 段中含有一个说明此错误代码【1 9 】。 2 1 2m o d b u s 两种传输方式 m o d b u s 网络通信传输有两种模式：a s c i i 模式或r t u 模式，用户可以选用自己需 要的模式，但是在同一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口 参数进行通信【2 0 1 。 a s c i i 模式： 设备以a s c i i 模式在m o d b u s 串行链路上通信时，信息帧中的每一个字节要用2 个 a s c i i 字符传输，该模式允许字符之间的时间间隔长达1 s ，所以当通信链路中不能满足 r t u 模式的时间要求时大都使用该模式，但该模式效率比r t u 模式效率低。 r t u 模式： 4 海南大学硕士学位论文2 相关技术介绍 设备以r t u 模式在m o d b u s 串行链路上进行通信时，信息帧中的每一个字节分成2 个1 6 进制的字符，该模式在相同波特率下其传输的字符的密度高于a s c i i 模式，每个 信息必须连续传输，传输效率高于a s c i i 模式。 通过上面的叙述，把a s c i i 模式和r t u 模式进行比较，比较结果如下表2 1 所示。 表2 1a s c i i 模式和r t u 模式比较 模式 开始标记结束标记校验传输效率程序处理 a s c l ic rl fl r c 低直观，简单，易调试 l 删 无无 c r c 高不直观，稍复杂 通过上表可以看到，a s c i i 模式比r t u 模式多了开始和结束标记，在进行程序处 理时十分方便，并且传输的a s c i i 字符都是可见的，所以十分便于进行调试。而且它的 l r c 校验也比c r c 校验容易。但是因为它传输的都是可见的a s c i i 字符，和r t u 模式 相比，r t u 传输数据一个字节a s c i i 都要用两个字节来传输，导致传输的效率就比r t u 模式低。所以实际应用中，如果传输的数据量较小应使用a s c i i 协议，如果需要传输的 大数据量应使用r t u 协议。 2 1 3m o d b u s 信息帧 不管是a s c i i 模式还是r t u 模式，m o d b u s 信息传输方式都是以数据帧的形式，每 帧数据都有确定的起始点和结束点，数据帧要传送的设备在数据帧的起始点开始读地 址，并检测要寻址的设备和信息传输的结束时剧2 1 j 。 在使用a s c i i 模式传输时，用冒号表示一帧数据开始，在消息帧结束时用回撤换 行键( c r l f ) 表示一帧数据结束。除开始和结束外的帧内容，允许发送字符只能是1 6 进 制字符0 9 和a f 。通信时网络中所有设备都检测接收消息帧开始标志( 冒号) ，然后 检测消息帧中的地址码是否和本设备地址相同，若相同则接受帧，不同则舍弃。消息帧 传输时，每个字符之间的时间间隔最大为1 s ，如果大于l s 接收设备认为出现了错误。 典型的a s c i i 模式数据帧见下表2 2 所示。 表2 2a s c i i 模式数据帧格式 开始地址功能数据纵向冗余检查结束 1 字符： 2 字符2 字符n 字符2 字符2 字符 在使用r t u 模式传输时，要开始接收一帧数据至少需要有3 5 个字符的静止时间， 根据使用的波特率可以计算出这个静止的时间。帧数据允许发送的字符均为1 6 进制的 海南大学硕士学位论文 2 相关技术介绍 0 - 9 和a f 。消息帧接收时第一个数据区的为要发送设备的设备地址1 2 2 1 。在通信时，网 络上的设备监测包括静止时间在内的信息，当设备接收到地址数据时，对照本设备地址 检测是否是本机地址，如果是本设备地址则接受该消息帧，否则舍弃。在每帧数据发完 后，到接收到下一帧数据，在两帧数据之间也要有3 5 个字符的静止时间。在发送帧 数据期间，如果两字符之间出现大于1 5 个字符的静止时间时，认为数据出错，接收设 备刷新不完整信息等待接收下一帧数据。r t u 模式信息帧格式如表2 3 所示。 表2 3r t u 模式信息帧格式 开始地址功能 数据 校验终止 t 1 t 2 t 3 t 48b i t8b i tn 8 b i t1 6b i tt 1 t 2 t 3 t 4 设备的地址在消息帧中地址区用两个字符表示，设备地址范围是l 一2 4 7 。消息帧的 地址为主设备要联络的从设备地址。从设备根据帧地址接收消息帧，并且在回应消息时， 要把本设备地址放入回应消息帧的地址区中，回传给主设备。如果主设备传送的消息帧 中地址是0 ，则作为广播地址，所有的从设备都接收并且不做回应。 消息帧中功能码区也用两个字符表示，功能码的范围是l 2 5 5 ，但并不是所有的功 能码都适用于所有控制器，有的功能码只应用于某种某种特殊的控制器，还有一些功能 码保留以备后用1 23 1 。当主设备往从设备发送消息时，从设备根据功能码去执行相应的行 为。 数据区则是由取值范围在0 0 - f f 之间十六进制数集合构成。数据区提供从设备按功 能码定义所要执行行为的信息。 2 1 4m o d b u s 错误检查方法 标准的m o d b u s 串行网络采用两种错误检测方法：奇偶校验和帧校验。传输的每个 字符用奇偶校验，每帧消息用帧检测( l r c 或c r c ) 。a s c i i 模式时消息帧采用l r c 校 验，r t u 模式时采用c r c 校验。主设备在消息发送前产生校验码，从设备在接收过程 中校验每个字符和消息帧【2 4 1 。 ( 1 ) 奇偶校验 用户通过配置控制器奇偶校验来设置每个传输字符中的奇偶校验位，也可以设置成 无校验。无论是何种校验，都要计算每个字符数据中值为“l ”的个数，在根据“1 ”的位数 值( 奇数或偶数) 设置奇偶位为0 或“1 ”。发送设备发送信息时，把计算奇偶位加到数据 帧中，接收设备接收字符计算位值为“1 ”的个数，如果与该设备要求的不一致时产生错 误。所有设备在m o d b u s 总线上的采用的奇偶校验方式必须相一致。 6 海南大学硕士学位论文2 相关技术介绍 ( 2 ) l r c 校验 采用a s c i i 模式传输时，消息帧中校验区使用l r c 校验方式生产校验码。l r c 校 验检测消息帧中除开始的冒号和结束的回车换行号外的所有内容。l r c 校验码是含1 个8 位二进制值的字节。发送设备发送的消息帧中包含l r c 值，接收设备在接收信息 帧时计算l r c 校验码，把计算的l r c 值与接收到的l r c 值进行比较，如果二者不一 致，说明产生一个错误。 ( 3 ) c r c 校验 采用r t u 模式传输时，消息帧中的校验码采用c r c 方法计算。c r c 校验码是含有 2 个1 6 位的二进制值的字节 2 5 】。发送设备把计算c r c 值附加到信息帧中去，接收设备 在接收信息过程中再次计算c r c 值并与接收到的实际c r c 值进行比较，如果二者不一 致，说明产生一个错误。 2 2r s 4 8 5 介绍 r s 4 8 5 是一种典型的通信息标准，全称是t i a e i a - - 4 8 5 串行通信标准。数据信号采 用差分传输方式。相比r s 2 3 2 而言，r s 4 8 5 接口信号电平低，电平与t t l 电平兼容， 与t t l 电路连接方便。接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能 力强。最大的通信距离约为1 2 0 0 m ，最大传输速率为1 0 m b s 2 6 j 。有两种接线方式： 两线制和四线制。用四线制方式接线只能实现点对点的通信方式，而用两线制接线方式， 在同一总线上能够挂接3 2 个结点，所以现在大都采用两线制接线方式，四线制接线方式 现已很少使用。采用r s 4 8 5 总线通信的网络，通信方式一般采用的都是主从方式，在网 络上将一个设备作主机，其它设备都是从机，用一个主机控制着多个从机。在实际应用 中，一般采用普通的双绞线就可以实现通信。作为一种常用的通信平台，r s 4 8 5 通信标 准具有成本低廉、抗干扰能力强、传输速率高和传输距离远等许多优点，在电子通信、 工业控制、计算机网络等许多领域被广泛应用。 2 3c o r t e x m 3 微处理器 c o r t e x m 3 是基于a r m v 7 m 架构上的3 2 位微处理器内核，内部的数据路径、寄存器 和存储器接口都是3 2 位。c o r t e x m 3 采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线， 指令和数据可以从存储器中同时读取，处理器对多个操作并行执行，加快了应用程序的 执行速度【2 7 1 。3 级流水线内核集成了分支预测、单周期乘法和硬件除法等众多功能强大 的特性，采用新型t h u m b 2 指令集架构。c o r t e x m 3 处理器的结构框架如图2 2 所示。 7 海南大学硕士学位论文2 相关技术介绍 图2 2c o r t e x - m 3 处理器的结构框架 c o r t e x m 3 处理器具有款低功耗，门数目少，中断延迟短，调试成本低，有快速中 断响应等特点。主要应用于微控制器、汽车车身系统、工业控制系统以及无线网络等对 成本低功耗极端敏感的嵌入式应用领域 2 8 】。和传统的a r m 7 t d m l 相比，c o r t e x m 3 内核 的微处理器每m h z 的效率提高了7 0 ，基于具有明显优势。a r m 7 与c o r t e x m 3 内核各方 面性能对比如表2 4 所示。 海南大学硕士学位论文 2 相关技术介绍 表2 4a r m 7 与c o r t e x m 3 内核各方面性能对比 比较项目 a r m 7c o r t e x m 3 架构 a r m v 4 t ( 冯诺依曼)a r m v 7 一m ( 哈佛) 指令和数据总线共用，会出现瓶颈指令和数据总线分开，无瓶颈 指令集3 2 位a r m 指令+ 16 位t h u m b 指令t h u m b t h u m b 2 指令集 两套指令之间需要进行状态切换 l6 位和3 2 位指令可直接混写，无需状态切换 流水线3 级流水线3 级流水线+ 分支预测 若出现转移则需要刷新流水线，损失惨重出现转移时流水线无需刷新，几乎无损失 性能 0 9 5 d m i p s m h z ( a r m 模式) 1 2 5 d m p s l h z 功耗 0 2 8 m w m h zo 1 9 m w 懈z 低功耗模式 无内置睡眠模式 面积 0 6 2 m m 2 ( 仅内核) 0 8 6m m 2 ( 内核+ 外设) 中断 普通中断i r q 和快速中断f i q 不可屏蔽中断n m i + i 一2 4 0 个物理中断 太少，大量外设不得不重用中断每个外设都可以独占一个中断，效率高 中断延时2 4 - 4 2 个时钟周期，缓慢1 2 个时钟周期，最快只需6 个 中断压栈 软件手工压栈，代码长且效率低 硬件自动压栈，无需代码且效率高 存储器保护无 8 段存储器保护单元( m p u ) 内核寄存器寄存器分为多组，结构复杂，占核面积多 寄存器不分组( s p 除外) ，结构简单 工作模式7 种工作模式，比较复杂只有线程模式和处理模式两种，简单 乘除法操作多周期乘法指令，无除法指令单周期乘法指令，2 1 2 周期除法指令 位操作无先进的b i t b a n d 位操作技术 访问外设寄存器需分“读改写”3 步走 可直接访问外设寄存器的某个位 系统节拍定时无内置系统节拍定时器，有利于操作系统移植 9 海南大学硕士学位论文 3 系统总体设计 3 系统总体设计 3 1 需求分析 对于冷库工作人员来说，日常工作最基本的要求：做到随时都可以方便快捷的查看 各冷藏室状况，如果环境不适合生鲜货物保存需要，可以快速的做出调整。所以对于设 计的监控系统要达到信息化、智能化，可以对所有冷藏室做统一控制管理，通过一台主 机控制整个系统，让冷库中各冷藏室内的信息状况返回到主机上，同时也可以通过主机 随时的控制任意一个冷藏室内的环境状态。因此对冷藏室内安装的监控模块要满足的如 下需求： ( 1 ) 能够采集冷藏室内的温度、湿度和光照度数据 ( 2 ) 能够控制室内空调、灯光调节温湿度和光照度 ( 3 ) 具有能够连接到m o d b u s 总线的转换接口 ( 4 ) 每个模块具有唯一的从机地址 ( 5 ) 能够对接收的数据帧进行分析处理 ( 6 ) 模块在运行出错时能够自动恢复 ( 7 ) 模块应具有功耗低、响应快等特点 各冷藏室监控模块共同组成一个网络连接到监控中心的主机，在主机上通过专门设 计的智能化信息监控软件来控制整个系统。该监控软件要满足的需求如下： ( 1 ) 显示采集的温湿度、光照度数据，并能对数据进行保存 ( 2 ) 室内环境状况异常报警提示 ( 3 ) 能够配置监控模块信息参数 3 2 系统构成方案 本文以设计的嵌入式监控模块为从机，以监控中心p c 机为主机，结合r s 4 8 5 总线 搭配m o d b u s 通信协议组成网络，通过主机上的监控软件监控整个系统。因主机上只配 置了r s 2 3 2 串口，所以设计了r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，用于实现r s 2 3 2 电平到r s 4 8 5 电 平的转换。系统组网方式如图3 1 所示。 1 0 海南大学硕士学位论文3 系统总体设计 髂4 8 5 嬲2 3 媾换接口上 3 2 1 系统的监控模块设计方案 图3 1系统组网方式图 由于嵌入式主控芯片随着科技的发展，许多嵌入式系统都可以单独的连接外部以太 网，而且嵌入式系统和传统的计算机相比具有功耗低、成本低、效率高、体积小等许多 优点，其低功耗特性可让微控制器处于长期的运行状态，使嵌入式控制器成为设计控制 系统的首选【2 9 j 。 本系统采用高性能的嵌入式微控制器设计监控模块，用于监控冷藏室内的环境状 况，采集室内温度、湿度、光照度数据，将采集到的数据经过算法分析处理，然后按 m o d b u s 协议格式返回监控中心，在监控中心通过监控软件查看传来的数据，监控软件 可以对数据进行保存、打印等操作，同时也可以通过监控软件更改监控模块参数，调节 冷藏室内的温湿度和光照度，使室内的环境状况达到货物信息所需要的环境。监控模块 的总体结构由温湿度传感器、光照度传感器、数据存储器、数字电位器、r s 4 8 5 转换接 口等模块组成。模块结构如图3 2 所示，其中光照度传感器用于采集冷藏室内光照度状 况，温湿度传感器采集室内温度和湿度数据，数据存储器用于存储监控模块本身运行所 需要的参数信息，数字电位器用于调节电压，通过改变电压来控制空调和灯光，从而改 变冷藏室内的环境状况，r s 4 8 5 转换接口用于把t t l 电平转换为r s 4 8 5 电平，便于监 控模块连接到m o d b u s 总线上。 謦l 上 机主b中控监 海南大学硕士学位论文3 系统总体设计 3 2 2 系统监控软件设计方案 图3 2 监控模块结构图 系统的监控中心作为整个监控系统的管理中心，要完成对各冷藏室监控模块的功能 参数配置，环境数据采集和保存，室内环境异常报警等操作。本文根据系统功能需要设 计监控软件，管理员在p c 上对监控软件进行操作来管理整个系统。该监控软件要做到 要具有开发简单、实用性高、扩展性好等特点。 传统的监控软件设计方案大都是采用v c 、v b 等开发环境编写f 3 0 1 ，本文采用n l 公 司的图形化软件集成开发环境编写，该开发环境和传统的开发环境相比，内置采集信号、 数据测量分析和图形实时显示功能，功能强大而且灵活性高，同时摒弃了传统开发环境 的复杂性，非常适合编写监控软件。 3 2 3 系统网络组建方案 本系统的网络布线采用时下非常流行的组网方式r s 4 8 5 总线搭配m o d b u s 协议，该 组网方式实施起来简单方便、成本低廉和实用性高。 r s 4 8 5 总线控制作为一种低成本的现场总线控制方案，广泛应用于监控系统的设 计。和其它总线通信方式相比，r s 4 8 5 总线通信方式具有硬件接口简单、容易实现、传 输距离远、误码率低、抗干扰能力强、成本低、简单灵活等优点。在本系统中，监控中 心的p c 机作为主机进行数据的采集、处理、显示和保存，冷藏室的监控模块作为从机 进行现场数据采集和