鄧　鵬，張明星，唐文濤，馬雪芬

（荊楚理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

基于RS485通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧鵬，張明星，唐文濤，馬雪芬

（荊楚理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

文章設(shè)計(jì)了基于RS485通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用1個(gè)主機(jī)和3個(gè)從機(jī)的總線型主從式結(jié)構(gòu)，主從機(jī)都采用STC89C52單片機(jī)為主控制器，主從機(jī)之間的通信電路通過1對(duì)雙絞線連接，3個(gè)從機(jī)把溫度、濕度、壓力信號(hào)通過RS485總線傳輸給主機(jī)，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。各從機(jī)都有唯一的地址字節(jié)，主機(jī)可通過尋址的方式查詢從機(jī)設(shè)備并發(fā)送相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的拓展性和實(shí)用性，且造價(jià)較低。

RS485；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；主從式結(jié)構(gòu)；單片機(jī)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)正在向全新的階段發(fā)展，信息的采集與傳輸更加智能化、數(shù)字化和遠(yuǎn)距離化；在一些環(huán)境條件惡劣、異常危險(xiǎn)的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如深井、對(duì)人體危害極大的強(qiáng)輻射空間，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)能很好地取代人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作。RS485通信標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，以半雙工方式進(jìn)行通信，通信線路上允許接入的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，某些收發(fā)器芯片允許接入128個(gè)節(jié)點(diǎn)，如MAX487等，傳輸距離可達(dá)1200m，且數(shù)據(jù)交換速率可達(dá)10Mbps。因此基于RS485通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　系統(tǒng)的基本組成

主控機(jī)和從設(shè)備都以STC89C52為微控制器，從設(shè)備采集各路模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)通過RS485總線發(fā)送給主控機(jī)，主控機(jī)接收各從設(shè)備采集的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示，顯示單元采用LCD12864液晶屏作為顯示器。三路模擬量的采集分別用數(shù)字溫度傳感器DS18B20、數(shù)字濕度傳感器DHT11和HL-8型電阻應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。按鍵單元由獨(dú)立按鍵組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)從設(shè)備選擇以及繼電器的控制。RS485總線由MAX485收發(fā)器芯片搭建。MAX485將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，這種以差分信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，再加上差分放大器的作用，使得傳輸過程中的干擾和噪聲相互抵消，傳輸距離和傳輸速率得到了很大的提升。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 RS485通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中各從設(shè)備與主控機(jī)之間通過一對(duì)雙絞線連接。在通信速率大于19.2Kbps或通信距離大于500m時(shí)，為了減少信號(hào)反射，一般在傳輸線終端連接120Ω的匹配電阻。MAX485與單片機(jī)接口電路如圖2所示。

圖2 MAX485與單片機(jī)接口電路

MAX485芯片的RO和DI引腳分別為接收器輸出和接收器輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)需要與串口數(shù)據(jù)接收端RXD和串口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD相連；RE和DE分別為接收器和發(fā)送器的使能端，當(dāng)RE為邏輯電平0時(shí)，芯片處于接收狀態(tài)，當(dāng)DE為邏輯電平1時(shí)，芯片處于發(fā)送狀態(tài)；由于MAX485的半雙工工作特性，使能端RE和DE的控制只需要單片機(jī)分配一個(gè)I/ O口進(jìn)行控制；芯片的A和B兩個(gè)引腳分別為差分信號(hào)接收和發(fā)送端，當(dāng)邏輯電平A高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1，當(dāng)邏輯電平A低于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。

2.2 LCD12864液晶顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示單元在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字、字母、漢字以及各種圖形的顯示。D0—D7為指令和數(shù)據(jù)的輸入輸出端口，對(duì)應(yīng)STC89C52單片機(jī)的P0端的8位I/O口。由于STC89C52單片機(jī)運(yùn)行速度比液晶的反應(yīng)速度慢，因此對(duì)液晶控制器進(jìn)行讀寫操作之前可以不對(duì)液晶進(jìn)行讀寫檢測(cè)，但要注意的是必須在程序中進(jìn)行簡短的延時(shí)，保證讀寫操作使能狀態(tài)位STA7為0。

2.3 模擬量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)新方向。本系統(tǒng)包括三路模擬量的檢測(cè)，其中溫濕度信號(hào)直接被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以單總線的形式串行輸出，而壓力信號(hào)經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711轉(zhuǎn)換并放大后才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.3.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)采用DS18B20傳感器，數(shù)據(jù)的輸入和輸出都通過DQ腳進(jìn)行，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，必須在數(shù)據(jù)腳DQ外接上拉電阻。當(dāng)電源極性接反時(shí)，其負(fù)壓特性可以保證芯片不會(huì)因過熱而燒壞。

2.3.2 濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

濕度檢測(cè)采用DHT11傳感器，它包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，能同時(shí)采集溫度和濕度兩種模擬信號(hào)，系統(tǒng)只對(duì)濕度信號(hào)進(jìn)行處理。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采樣周期設(shè)置為2s。DATA為微處理器與DHT11之間的數(shù)據(jù)通信接口，采用單總線數(shù)據(jù)傳輸格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出，數(shù)據(jù)傳輸格式（其中溫濕度小數(shù)部分為0）為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。

2.3.3 壓力信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器是利用惠斯通電橋原理而設(shè)計(jì)的，當(dāng)彈性元件受力而發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片電阻變化被轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化，由于此時(shí)電壓差信號(hào)比較小，需要經(jīng)過放大之后才能進(jìn)行模擬量的采集。系統(tǒng)采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711對(duì)模擬量進(jìn)行放大和采集。HX711有兩路差分輸入通道，可選增益分別為32，64和128倍，輸出數(shù)據(jù)速率可選。系統(tǒng)模擬輸入通道選擇A通道，增益128倍，使用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，輸出數(shù)據(jù)速率為10Hz。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)和從設(shè)備之間的通信模式采用異步串行方式1。方式1傳送一個(gè)字符幀數(shù)據(jù)需要10位，其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。對(duì)于STC89C52單片機(jī)來說，波特率可根據(jù)定時(shí)器1的溢出率設(shè)定。此串行方式下系統(tǒng)的通信波特率必須完全一致，才能保證主從設(shè)備之間的正常通信。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，即把程序分模塊封裝起來，方便主程序的調(diào)用，增加程序的可讀性和移植性。

3.1 串口通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)RS485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵，對(duì)于通信協(xié)議來說，數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)是最重要的一部分，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 RS485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式

主控機(jī)的通信協(xié)議規(guī)則：系統(tǒng)初始化中設(shè)置RS485總線為發(fā)送狀態(tài)，做好發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；當(dāng)按鍵掃描程序檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的地址字節(jié)和命令字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送完之后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)并設(shè)置RS485總線為接收狀態(tài)，做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；進(jìn)入接收狀態(tài)以后，與從設(shè)備協(xié)議規(guī)則相同，在串口接收中斷程序中完成數(shù)據(jù)的接收任務(wù)；退出中斷服務(wù)程序之后，按鍵掃描程序繼續(xù)檢測(cè)按鍵是否被按下，如果被按下則設(shè)置RS485總線為發(fā)送狀態(tài)，并發(fā)送相應(yīng)的地址字節(jié)和命令字節(jié)，發(fā)送完數(shù)據(jù)幀以后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)并設(shè)置RS485總線為接收狀態(tài)，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

從設(shè)備的通信協(xié)議規(guī)則：系統(tǒng)初始化中設(shè)置RS485總線為接收狀態(tài)，做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；從設(shè)備不斷檢測(cè)接收中斷標(biāo)志位RI的值，如果RI=1，立即進(jìn)入串口接收中斷程序，把接收到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并對(duì)接收到的字節(jié)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；接著判斷接收到的首字節(jié)是否為幀頭“0xaa”，如果是則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)幀，判斷接收到的字節(jié)數(shù)是否大于6個(gè)字節(jié)，計(jì)算校驗(yàn)和并判斷是否正確；如果沒有接收到幀頭，置RI=0，清除所有數(shù)據(jù)，退出中斷接收程序；如果本機(jī)被呼叫，即主機(jī)發(fā)送的地址是本機(jī)地址，從機(jī)根據(jù)所接收到的命令，判斷是繼電器控制命令還是數(shù)據(jù)采集命令，如果是數(shù)據(jù)采集命令，設(shè)置RS485總線為發(fā)送狀態(tài)，并把本機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)并設(shè)置RS485總線為接收狀態(tài)，保證從設(shè)備能夠繼續(xù)接收下次命令，如果接下來主控機(jī)一直沒發(fā)送命令，則從設(shè)備會(huì)不間斷地把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，直到下次命令的到來。

3.2 主控機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控機(jī)的程序設(shè)計(jì)是整個(gè)通信系統(tǒng)的核心，主要任務(wù)是選擇設(shè)備并發(fā)送命令，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。主控機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 主控機(jī)程序設(shè)計(jì)流程

3.3 從設(shè)備程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從設(shè)備程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集程序、繼電器控制程序、RS485通信程序和串口接收、發(fā)送程序。而模擬信號(hào)的采集即A/D轉(zhuǎn)換部分的程序在設(shè)計(jì)中封裝成模塊，在主程序中調(diào)用即可。主要任務(wù)是接收主控機(jī)發(fā)送的命令，完成各路模擬信號(hào)的采集，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。從設(shè)備程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4　系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

系統(tǒng)的硬件調(diào)試在整個(gè)設(shè)計(jì)中有著至關(guān)重要的作用，硬件調(diào)試的內(nèi)容有：液晶顯示屏模塊、RS485通信接口模塊、異步串行通信模塊等。

4.2 軟件調(diào)試

軟件的調(diào)試是在硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，包括主控機(jī)和從設(shè)備的調(diào)試。軟件的調(diào)試相比較硬件來說是比較繁瑣和困難的，這方面的調(diào)試主要是編寫程序燒錄到單片機(jī)當(dāng)中，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象逐步對(duì)程序進(jìn)行修改。軟件調(diào)試的難點(diǎn)是通信協(xié)議的調(diào)試，但在此之前，要對(duì)各個(gè)傳感器模塊進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，即不通過協(xié)議實(shí)現(xiàn)三路模擬量的采集。

4.3 整體調(diào)試

當(dāng)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試都完成以后，就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，把主從設(shè)備通過RS485總線連接，并且把各個(gè)模塊所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)程序燒錄進(jìn)去，對(duì)整機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。通過軟硬件的微調(diào)，系統(tǒng)工作正常。

5　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于RS485通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)RS232通信距離短、傳輸速率低的缺陷，系統(tǒng)終端設(shè)備可以完成溫度、濕度、壓力等模擬信號(hào)的采集。主從式的控制結(jié)構(gòu)很好地解決了系統(tǒng)擴(kuò)展問題，數(shù)據(jù)采集量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于從設(shè)備的繼電器控制既可從設(shè)備本身控制，也可由主控機(jī)直接控制，并且通信協(xié)議的設(shè)計(jì)更具通用性和規(guī)范性。

圖4 從設(shè)備程序設(shè)計(jì)流程

［1］孫云霄，陳穎.RS485總線在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.工礦自動(dòng)化，2006（4）：75-76.

［2］田亞芳，庫詳臣，李濟(jì)順，等.給予RS485的壓力及位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.礦山機(jī)械，2011（8）：135-137.

［3］蘇曉龍，王香婷.基于RS-485總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（12）：52-53，78.

［4］馬東，王萬崗，蔣強(qiáng)，等.基于RS485總線的溫濕度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013（2）：121-125.

Design of remote data acquisition and control system based on RS485 communication

Deng Peng， Zhang Mingxing， Tang Wentao， Ma Xuefen
（Electronic and Information Engineering College of Jingchu Universuty of Technology， Jingmen 448000， China）

This paper designed a remote data acquisition and control system based on RS485 communication. The system adopts the bus master-slave structure of 1 host computer and 3 slaves， which all adopted STC89C52 MCU as the main controller， the communication circuit between master and slave computer is connected by a twisted pair. The 3 slaves transmitted temperature， humidity and pressure signal to the host computer through the RS485 bus， and the host correspondingly processed with data. The machine has a unique address byte， and the host can send corresponding commands by addressing queries from the machine， which realized the control of field equipment acquisition of multi-feld data， and the system has strong expanding property and practicability， and the cost is low.

RS485； remote data acquisition； master slave structure； single chip microcomputer

荊楚理工學(xué)院2016年校級(jí)科研基金項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：電磁感應(yīng)加熱蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)研究；項(xiàng)目編號(hào)：QN201604。項(xiàng)目名稱：湖北省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：B2015243。項(xiàng)目名稱：荊門市引導(dǎo)性科研項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：YDKY2016027。

鄧鵬（1981— ），男，湖北荊門，碩士，講師；研究方向：交流電機(jī)控制，過程控制及智能儀表。