基于RS485总线的多机通信系统设计

本科毕业设计（论文） 题目名称： 基于 RS485 总线的多机通信 系统设计 院（系、部） ： 信息工程学院 姓 名： 肖怡 学 号： 060869 年 级： 自061 专 业： 自动化 指导教师： 张硕生 2010 年 6 月 22 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 基于RS485总线的多机通信系统的设计 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 信息工程学院 作者签名： 肖怡 学 号： 060869 2010 年 06 月 25 日 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 摘 要 本文设计了一种基于 RS485 的由多单片机组成的通信系统，介绍了 RS485 的通信基本理论，并且分别从硬件和软件两个方面对系统的设计进行了阐述。在硬件方面，包括主机和从机两大部分。在主机系统中给出了基于 MCS-51 单片机的 485通讯电路，键盘电路， LED 显示电路；在从机系统中给出了基于 MCS-51 单片机的485 通讯电路，8 位 ADC 0809 的 A/D 转换电路，2 个 8 段数码管显示电路，发光二极管指示电路。在软件方面，分别用汇编语言编制了主机和从机部分的程序，通信协议采用 Modbus 协议。 所设计的多机通信系统采用主从分布式网络，通过 Modbus 通信协议进行主从机通信。在文章的最后，对 RS485 多机通信的关键问题：RS485 总线抗干扰的设计，以及通信的稳定性和可靠性等进行了分析，提出了设计要点，并对现有技术进行总结，提出了改善的方向。 关键词：MCS-51 单片机，RS-485，通信协议，主从控制 I 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 Abstract This article mainly introduces a whole design Plan of Master-slave control system base on MCS-51 Single - Chip Microcomputer. This article expatiates on the design of the system from both hardware and software. In terms of hardware, including master and slave .The master system contains communication circuit based on MCS-51 Single - Chip Microcomputer, keyboard circuit and LED display circuit. The slave system contains communication circuit based on MCS-51 Single - Chip Microcomputer., AD conversion circuit ,LED display circuit and numerical code tube circuit. In relation to software， including programs what wrote by assembly language and the Modbus communication protocol. The control system uses the master-slave distributed network and can communicate by Modbus communication protocol. In the end of the article, contains the design of anti-interference ,the communication stability and reliability, and the further improve . Keywords:， MCS-51 Single - Chip Microcomputer ,RS-485， Communication Protocol， Master-slave Control II 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 目录 第一章 前言 .1 1.1 研究背景及意义 .1 1.1.1 研究背景 .1 1.1.2 研究意义 .1 1.2 论文的主要工作 .2 第二章 系统总体方案的设计 . 3 2.1 系统总体设计 .3 2.1.1 主从机部分 .3 2.1.2 RS-485 总线型通信网络 .4 2.2 系统主从通信的基本条件 .4 第三章 RS485 通信理论概述 . 5 3.1 RS485 通信的基本理论 .5 3.1.1 平衡传输 .5 3.1.2 电气规定 .5 3.1.3 RS-485 的网络安装注意要点 .6 3.1.4 RS-485 传输线上电阻匹配的一些说明 .6 3.2 单片机的串行接口 .6 3.2.1 串行口控制寄存器SCON .7 3.2.2 电源控制寄存器PCON .8 第四章 系统硬件设计 . 9 4.1 系统硬件电路设计 .9 4.1.1 RS-485 总线型网络电路 .9 4.1.2 直流稳压电源 .12 4.1.3 主机硬件电路设计 .12 4.1.4 从机硬件电路的设计 .14 第五章 系统软件设计 . 19 5.1 设计思路 .19 5.2 通信协议 .19 5.2.1 通信协议介绍 .19 5.2.2 RTU 模式 .19 5.2.3 RTU 帧 .20 5.2.4 错误校验 .21 III 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 IV 5.3 单片机通信程序设计 .21 5.4 程序代码实现 .22 第六章 系统性能的改善 . 27 6.1 RS-485 总线通信抗干扰设计 .27 6.1.1 防止通信电缆中的信号反射措施 .27 6.1.2 降低分布电容对RS-485 总线传输性能的影响 .28 6.1.3 电磁干扰(EMI) 问题.28 6.2 单片机多机通信系统稳定性 .29 6.3 提高RS-485 总线可靠性的几种方法 .29 第七章 总结 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 34 附录 . 35 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 1 第一章 前言 计算机技术、自动化技术和通信技术是现代信息科学技术的重要组成部分，是现代科学技术中的核心先导技术。计算机控制是计算机技术与自动控制理论、自动化技术紧密结合并应用于实际的结果，它的应用领域非常广泛。 在一个应用系统中，通常由主机对数据进行分析并处理，从机则完成数据的采集和上传等工作。单片机的应用己不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而且形成了以网核心的分布式多点 统发展的趋势络为 系1.1 研究背景及意义 1。 1.1.1 研究背景 随着计算机在工业过程中的应用, 由主控机和终端机或智能设备构成的分布式控制系统在工业现场愈来愈多。在这个系统中, 终端机或智能设备安放在设备现场, 完成现场信号的网络拓扑结构的测量、采集和控制工作; 通过现场总线与主控机交换信息; 主控机负责对终端机或智能设备的远程操作工作5。 多机通信作为主控机和终端机或智能设备连接的纽带，在分布式控制系统中具有非常重要的作用。 RS-485 作为一种多点差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一，这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信它所具有的噪声抑制能力数据传输速率电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的7。 1.1.2 研究意义 在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用 RS-485 通信接口所组成的工控设备网络。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485 总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。 RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。 RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。显然 RS-485总线可以我们带来很多好处。 但RS485 总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485 总线的运行可靠性至关重要。RS-485由于使用了差分电平传输信号，传输距离比RS-232 更长，最多可以达到 3000 m，因此很适合工业环境下的应用。但与CAN 总线等更为先进的现场工业总线相比，其处理错误的能力还稍显逊色，所以在软件部分还需要进行特别的设计，以避免数据错误等情况发生。另基于 RS485 总线的多机通信系统设计 2 外， 系统的数据冗余量较大， 对于速度要求高的应用场所不适宜用RS-485 总线。虽然RS-485总线存在一些缺点，但由于它的线路设计简单、价格低廉、控制方便，只要处理好细节，在某些工程应用中仍然能发挥良好的作用9。因为，多机通信系统是在日常的生活与生产中应用非常广泛的技术，然而构成多机通信系统可以通过很多种方法。所以，我认为选择这个题目是将会是很贴近生活，做出来的成果还可以其他方法做出来的系统进行比较，是很有意思，很有挑战性的。因此, 立足实际, 研究基于RS485 的多机通信系统具有重要的意义。1.2 论文的主要工作 本论文主要研究的内容是利用 RS485总线的原理设计出一种适合远距离的数字通讯系统。该系统是一种多节点，远距离和接受灵敏度高的 RS485 总线标准。 系统设计包括硬件设计和软件设计两部分，要求控制器采用 51 单片机，当主机系统和从机系统通讯成功时主机对应的发光二极管和进行通讯的从机对应的发光二极管不断闪烁；如果通讯失败，则四位发光二极管同时闪烁。解决信号在传输过程中的突变和反射，接地，衰减等问题。 对 RS485 总线进行硬件设计和网络组建及维护提高通讯效率。 软件方面，包括主机和从机的编程和通讯协议。由 RS-485 网络的传输特性决定，任一时刻在同一物理连接网络中只能够存在一个发送节点，多节点同时发送可能会导致RS-485 总线出现竞争“锁定”；因此，只可以选择单主多从通讯协议作为 RS-485 网络的应用层通信协议，比如 ModBus 协议，或者其他“单主/ 多从”模式的通讯协议。一般来说，通讯协议中规定的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、 数据、校验码、尾码组成。 硬件方面，包括主机和从机两部分的电路设计。 RS-485 需要 2 个终接电阻，其阻值要求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 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。 RS-485 支持 32 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. 基于 RS485 总线的多机通信系统设计 第二章 系统总体方案的设计 2.1 系统总体设计 系统的总体方案设计，关系到系统功能模块的划分、硬件设备的选择和配备以及软件的设计和编制。总体方案对整个系统的性能以及运行的可靠性和稳定性有十分重要的意义。 本系统是由单片机组成的主从控制系统，多台单片机的配合是按需要将它们组成一定形式的网络，使它们之间相互通信，以完成各种功能。目前，最常用的多机通信网络形式有以下 4 种： 串行总线型网络结构、环型网络结构、星型网络结构、树型结构，如 图 2-1 所示。 图 2-1 四种计算机网络拓扑结构 上述几种通信网络形式各有优缺点，通过对四种网络拓扑结构的性能比较得知总线型网络结构接口简单、使用灵活，因此在本系统使用总线型网络结构，同时为了提高系统在通信过程中的性能和进行多机通信，在设计时采用 RS-485 总线进行串行数据通信。 系统是建立在 RS485 总线型网络基础上的主从分布式系统。本系统中，主机与各从机和 RS-485 总线的连接通过 MAX485 芯片来实现。本系统的结构简图如图 2-2 所示。 从结构上可以分为：主、从机部分和 RS-485 总线型通信网络部分。 2.1.1 主从机部分 工作过程如下：主机经过一定的程序后，向一号从机发出信号，（若是长时间不能与一号从机通信，主机会选择二号从机）同时准备向从机发送数据或接收从机发送上来到信号和数据。从机一方面要响应主机发出的信号，另一方面接收数据或向主机传输数据。从机在进行数据采集的时候会将数据在数码管中进行