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1、数据通信RS485及局域通信网,1,主要内容,2,RS485/422接口RS485/422及网络的构建接口电路、接口转换器（不讲）485/422网路通信工程注意事项RS485网络通信实例剖析,1、RS485/422接口及其应用,3,RS232接口特点RS232/449/422/423/422A/485接口之间关系,RS232接口特点,4,RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅
2、助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。,RS232接口特点,5,RS-23
3、2-C作为应用广泛的串行接口总线，有着明显的缺陷：速度慢：Vmax=20kb/s信息传输距离短:Lcable=15m使用非平衡发送器，电气性能不佳信号之间容易产生码间串扰推出了新的串行接口总线标准449/423/422/485以及USB等,平衡电路：用于产生相同和相反信号的电路，它将这些信号送入两个导线。电路的平衡特性越好，信号的散射就越小，它的噪声抑制特性也越好(因此它的 EMC 性能就越好)。,RS232/449/422/423/422A/485接口之间关系,6,针对232的缺点，EIA制定了449，旨在提高传输速率、增加传输距离、改进电气性能，并增加了测试功能，明确规定了标准连接器（37
4、引脚）449接口的两个子集：422/423全双工（标准子集）、485半双工（422A的变种）,RS-449接口,7,RS449实际上是一个一体化的三个标准，它的机械、功能和过程特性接口由RS449定义，而电气特性接口由两个不同的标准定义：RS422A：用于平衡电路 V.11/X.27RS423A：用于非平衡电路 V.10/X.26RS449与RS232C相比：,国际电信组织提出的数据通信电路接口规范,8,增加了10条接口引脚传送速率高，传送距离长100kb/s1200m接口连接器采用37针和9针（安排辅助信道的管脚）接口管脚大致分为五大类：公共地数据控制定时线辅助信道,RS-423A/RS-4
5、22-A,9,RS449的两个子集，RS422采用平衡电路，RS423采用非平衡电路负逻辑，且参考电平为地：1:-6v0:+6vRS422规定了差分平衡的电气接口，即在较长距离明显地提高数据传输速率100kb/s1000m10Mb/s 10mR423规定了差分非平衡的电气接口,RS423接口主要特点,10,采用单端发送器（非平衡发送器）和差动接收器。其接收器的输入有一端与发送器的地相连，且允许接收器与发送器的接地端之间有电位差，这样可以提高传输速率。虽然发送器与RS232标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速度仍比RS232有较大的提高，在10m传输距离时传输速率可达100Kbi
6、t/s,距离增到100m时，速度仍有10Kbit/s。,RS422主要特点,11,RS422总线,RS485和RS422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS232的根本区别，因为RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线。发送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接多台设备。,RS
7、422的数据传输方式,12,RS422采用差分传输方式，支持一点对多点的通信，各项性能指标都大大优于RS232。传输数据时，采用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一个为B,通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电压在26V之间，负电压在26之间，另有一个信号地C，使能端在422接口中可有可无。,接收器有与发送器相对应的规定，收、发端通过平衡双绞线AA与BB对应相连，当在接收端AB之间的电压大于200mv时，输出正电平；当电压小于200mv时，输出负电平；,信号被传送出去之前会分为AB（正负）两个信号线路，到达接收端，再将信号想减还原为原来的信号。假设原来信号为DT，被分解为D+和D-，原始信号和
8、分解信号之间存在DT=（D+）-（D-）的关系，接收端还是依据此关系恢复原始信号。,如果此时存在线路干扰，此时两条传输线上的信号分别为（D+）+Noise和（D-）+Noise，接收端还是按照差分计算恢复原始信号。即DT=（D+）+Noise-【（D-）+Noise】=（D+）-（D-）。与理想传输结果完全一致！因而可以有效防止噪声干扰，所以工业上广泛应用。,13,422连接电路，全双工通信，任一个时刻同时进行发送和接收,四线接口,RS422的四线接口由于采取了单独的发送和接收通道，因此不必控制数据的方向，各个设备之间任何必须的信号交换都可以按照软件的方式或者硬件的方式进行；RS422需要一个
9、终结电阻，要求其阻值大约是传输电缆的特性阻抗，在短距离传输时，可以不需要终结电阻，即一般300m以内的数据通信，不需要接终结电阻。终结电阻一般接在电缆的终端。,主要内容,14,RS485/422接口RS485/422及网络的构建接口电路、接口转换器（不讲）485/422网路通信工程注意事项RS485网络通信实例剖析,单片机之间的RS422通信接口,15,左图给出的是基于RS422A接口标准的双机通信电路接口。该方法可以有效增加通信距离并减少干扰。,发送方的数据由串口TxD输出至平衡差分长线驱动芯片3487的输入端，该芯片将输入的TTL信号转换为符合RS422的差动信号，经双绞线传输线送到接收端
10、；接受信号方通过平衡差分长线接受芯片3486将差动信号转换为TTL信号，送至串口的RxD端；,十分重要请根据RS422的接口信号和引脚功能，绘制出基于422标准的单片计算机点对点远程通信系统结构原理图，并给出详细通信过程解释,PC机之间的RS422连接,16,当两台计算机或者一台计算机与一台带计算机的应用产品（绝大多数的智能仪器、一仪表、设备、自动化装置等）相连接的时候，如果他们之间的距离在20m2Km之间，显然此时不能直接使用RS232进行通信。（思考一下，为什么？）如果两台计算机均有422接口，则直接可以进行连接，事实上，一般的计算机并无422接口（专用的工控机除外），于是，一般使用232
11、/422转换装置，将232信号转换为422标准的平衡差分信号，然后再进行传输处理。,十分重要请根据RS422的接口信号和引脚功能，绘制出基于RS422的一般商用计算机远程通信系统结构原理图，并给出详细通信过程解释,转换器示例,17,接线及引脚分配RS-485 的+A 接对方的+A、B 接对方的B、GND(地)接对方的GND(地)。RS-422 的接线原则：“+T”接对方的“+R”、“-T”接对方的“-R”、“+R”接对方的“+T”、“-R”接对方的“-T”、GND(地)接对方的GND(地)。一定要将GND（地）线接到对方的GND（地），除非确保通信双方都已经良好共地。,422接口的多机通信网络
12、,18,主从式体系结构无论是在软件还是硬件领域都具有强大的生命力，应用范围极其广泛，由于422最大的接收器数目为10，也就是说最多可以负载10个接受信号的计算机（单片机、或带422A接口的智能仪器、仪表），因此，基于422接口实现上位机和多台现场下位机之间的远距离通信是比较常用的方案之一。这种分布式通信网络采用主从式串行总线结构，所有下位机全部连接在上位机PC的串行通信RS422A标准总线上（一般通过一个232/422转换板实现），下位机之间不进行通信，仅仅在上位机和下位机之间进行通信，下位机之间的通信可以借助上位机实现。,RS422构建总线式多机通信网络,19,十分重要请根据RS422接口特
13、性，绘制出基于422构建分布式计算机通信系统结构原理图，并给出详细通信过程解释；注意：422支持的是一点对多点的数据通信，查阅资料，分析通信过程中主机如何识别从机，分别给出主机、从机的通信软件编写基本流程，这种结构下软件编程与点对点通信有何异同点？,RS422构建菊花链式多机通信网络,20,工程上RS-422接口一般是4个接线端子Y、Z、A、B。发送（Y、Z）接收（A、B）,RS422构建菊花链式多机通信网络,21,这种菊花链式的多机通信方式比较少见，但是却有其独特的优势、也有其缺点。每个节点必须是全双工的，每个节点只能够接收上一个节点发送的数据、只能够向下一个节点发送数据。如果要跨过一个节点
14、传输数据，必须通过下一个节点转发。如果有2个节点同时发送，菊花链式的网络并不会锁死。这一点优于总线式的网络。,RS422的更高层次应用,22,既然可以实现主从式通信，那么多层架构就成为一种现实的可能。,中心主机,现场0,中间2,现场M,现场1,现场N,十分重要给出基于422接口标准的多层分布式通信系统的结构，分析通信过程，判断这种结构硬件上有什么特别的要求？分析主机如何识别现场计算机，分别给出主机、现场计算机的通信软件编写基本流程。,RS-485,23,RS485是工业控制过程中的串行接口总线，它由RS422变型而来，实际上它们的差别在于：RS422全双工RS485半双工RS422采用两对平衡
15、差分信号线，而RS485只需1对RS485更适合于多站互联，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备,24,485是422A的变型，422A是全双工工作方式，可以同时发送和接受数据，485是半双工工作方式，在任意一个时刻，只能处于一个发送数据而另外一个接收数据的状态。值得注意的是，485是一种多发送器的电路标准，扩展了422的性能，在同一个485网络中，可以有多达32个模块，这些模块可以是发送器或者接收器。485允许使用公用电话线路通信，这使得485 的应用范围大大扩展，因为可以充分利用现有网络而不需要自己重建，是解决成本的重要方法。事实上这一原则在实际中具有重大意义，许多的应用系统开发都是站在
16、巨人的肩膀之上，如基于移动网络的专属通信系统开发就是利用了现有的移动通信网，进行自己的业务数据通信。485最大的用途在于构建主从式多机网络，总线标准并未明确规定如何组网，可以根据实际应用灵活配置。,25,485连接电路采用差分驱动，使用一对线路完成通信，发送和接收信号分时共享这对信号线，半双工通信，某一个时刻只能有一个站可以发送数据；另一个只能接收，发送电路由使能控制。,注意：半双工通信模式下，主、从机的收发器使能端在任意一个时刻只能有一个处于使能状态，否则将导致信号线冲突,基于485的全双工通信技术,26,标准的485采用2线制工作，这种方式下，由于收发数据共享一对线路实现差分数据的传输，所
17、以只能实现半双工通信。而实际应用中很多时候又是特别需要全双工通信，也就是说，希望数据的接收和传输通道相互独立，互不影响。485全双工解决方案：利用2对双绞线，将2线制中主站数据发送器A、B端口与从站数据接收器的A、B端口连接；主站数据接收器A、B端口与从站数据发送器的A、B端口连接；这种使能方式下，主从站的收发器都可以一直处于使能状态，以增加两根电缆的代价实现全双工远距离通信，具有重要的工程意义！,十分重要分析介绍RS485总线接口的基本特点，通信原理（分析介绍2线制485通信），给出单片机、PC基于485总线接口实现全双工通信的解决方案（必须包含4线制原理），给出电路结构图,基于485构建半
18、双工分布式通信网络,27,这种方式下，由于通信各方共用一对线路，所以任意一时刻，只能允许一个发送器处于使能状态，某一节点不发送数据时，其发送器应该处于高阻状态，以便其他节点共享总线进行数据通信,基于485构建全双工分布式通信网络,28,485采用四线制连接时可以实现全双工通信，与RS422一样，只能实现点对多的数据通信，也就是说，在任意时刻，只能有一个主设备，其他都是从设备。仔细分析右图，结合485总线特点，回答构建特点，全双工通信网络为什么会是上述一个通信特点？,注意485的全双工通信中，主站发出命令帧，从站返回应答帧，但是主机不能要求多个从站同时应答，否则将会引发冲突！,十分重要分析介绍R
19、S485总线接口的基本特点，通信原理，分别给出单片机、PC基于485总线接口实现半双工、全双工通信的分布网络式仪器解决方案，给出系统结构图在集散控制系统、监测报警系统具有广泛的用途！,小结3 思考题,29,撰写研究报告，针对不同应用目的，给出不同的总线接口应用的what、when、where、How问题课堂上要求的十分重要、思考题等内容，是课程能力要求的重要内容，必须给予足够重视！,30,基于485网络的计算机通信系统,系统组成原理图,232电平到TTL转换,TTL电平到485信号转换,输出端，接PC串口RxD,输入端，来自PC串口TxD,RE：接收器使能端DE：发送器使能端控制信号：来自PC
20、串口的7引脚，即RTS，PC机向外部发出指令，请求数据,MAX487适用于差分平衡传输系统的收发器，该芯片具有发送器、接收器各自的使能端，处于禁止状态的发送器和接收器挂在传输线上不会影响信号的正常传送，由此多个收发器可以共用一个公共的传输线。,如此连接，用意何在？请思考,PC机与485总线接口软件设计,31,我们知道PC和单片机之间的串行通信通常采用RxD、TxD和GND三个信号线即可，这三个信号线的连接一般可以解决绝大部分业务数据通信任务，以至于我们在进行串行通信系统设计时经常忽视其他的几根信号。当采用485总线接口进行通信的时候，一般需要对485驱动芯片的接收器输出使能端和发送器的输出使能
21、端进行控制，这两个使能端的信号有效电平正好相反！所以可以并联起来用一根线控制。PC串口中由PC发出的信号线均可用来控制，比如很少使用的RTS、DTR串口输出信号。再回顾一下串口9针的功能：1DCD载波监测信号；2RxD接受信号；3TxD发送信号；4DTR数据终端准备好；5GND为信号地；6DSR数据装置准备好；7RTS请求发送；8CTS对方处于接收状态；9RI为振铃指示；其中PC接收的有1、2、6、8、9，PC发出的有3、4、7,PC机的485通信设计方案,32,设置串口使得串口放弃对DSR、CTS这引脚的检测，放弃对DTR、RTS的自动控制，因为需要使用两个信号来控制485网络的驱动器；发送
22、数据报文前，首先设置DTR或者RTS使得MAX487的接收器使能RE和发送器使能端DE都处于高电平，于是接收器处于高阻状态，发送器处于有效状态，可以发送数据发送完毕报文数据之后，设置DTR或者RTS使得MAX487的接收器使能RE和发送器使能端DE都处于低电平，于是接收器处于有效状态，发送器处于高阻状态，以便接收单片机发送回来的报文数据如此循环往复，即可实现基于485网络的PC和单片机之间的数据通信。,具体实现我们在串行通信程序设计基本技术中进行比较深入的学习和研究，现在首先掌握基本方法和思路，可以参考书上P74的示意代码,特别重要：现在记住，在学习了串行通信程序设计技术之后，不再强调，请自觉
23、练习PC485通信程序设计方法可能的考核方式：综合COM、485、程序设计，设计基于485的PC之间的通信方案，包括硬件设计结构图，软件设计流程图,单片机与RS485总线接口软件设计,33,单片机具有一个全双工的串口，数据发送端为P3.1（TxD），数据接收端为P3.0（RxD），分别与Max487发送器输入端DI和接收器的输出端RO直接相连（这一点和PC不同！），MAX487的接收使能和发送使能并联，由P1.0控制。总线上所有单片机上电复位后置P1.0为低电平，使得487接收有效，发送高阻，各个单片机在总线上只收不发；当单片机接收到PC机发来与本机地址相符的报文数据之后，置P1.0为高电平，
24、使得487接收高阻，发送有效，将当前检测数据打包发给PC机，发送完毕后置P1.0为低电平，以便计算机发送下一组报文数据。如此循环往复，即可实现基于485网络的PC和单片机之间的数据通信。,以89C51为例,具体实现我们在单片机串行通信技术中进行比较深入的学习和研究，现在首先掌握基本方法和思路，可以参考书上P75的示意代码,特别重要：现在记住，在学习了单片机串行通信技术相关内容之后，不再强调，请自觉练习程序设计方法可能的考核方式：综合COM、485、程序设计，设计基于485的PC与单片机之间（或者单片机之间）的通信方案，包括硬件设计结构图，软件设计流程图,主要内容,34,RS485/422接口R
25、S485/422及网络的构建接口电路、接口转换器（不讲）485/422网路通信工程注意事项RS485网络通信实例剖析,通信工程注意事项,35,RS-422 可支持10个节点，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。在构建网络时，应注意如下几点：1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某一段总线有过多收发器紧靠在一起安装过长的分支线引出到总线,36,2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
26、线中的反射信号对总线信号的影响最低。如图所示为实际应用中常见的一些错误连接方式（a，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。,RS-422与RS-485传输线上匹配,37,对RS-422与RS-485总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。那么在什么情况下不用考虑匹配呢？理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑
27、匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（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RS-485接口MAX483输出信号的上升或下降时间最小为250ns，典型双绞线上的信号传输速率约为0.2m/ns那么只要数据速率在250kb/s以内、电缆长度不超过16米，采用MAX483作为RS-485接口时就可以不加终端匹配。,38,一般终端匹配采用终接电阻方法，前文已有提及，RS-422在总线电缆的远端并接电阻。RS-485则应在总线电缆的开始和
28、末端都需并接终接电阻。终接电阻一般在RS-422网络中取100，在RS-485网络中取120。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100120。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。,39,一种比较省电的匹配方式是RC匹配，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。,40,还有一种采用二极管的匹配方法，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。,RS-422 与RS-485 的接地问
29、题,41,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工作甚至危及系统安全。RS-422 与RS-485 传输网络的接地同样也是很重要的，因为接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，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RS-422、RS-485 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：,42,1共模干扰问题：正如前文已述，RS-422 与RS-485 接口均采用差分
30、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RS-422 共模电压范围为-7+7V，而RS-485 收发器共模电压范围为-7+12V，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。如图所示，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VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD。那么，接收器输入端的共模电压VCM 就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-422 与RS-485 标准均规定VO
31、S3V，但VGPD 可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM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。,43,2（EMI）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，RS-422、RS-485 尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-422或RS-485 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VGPD 被短路。这条信号地可以是额外的一
32、条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，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大的环路电流，影响正常通信。,RS485总线上引出线长度的计算,RS485 总线上每一个收发器都要通过一段引线接入总线引出线过长时由于信号在引出线上的反射会严重影响总线上信号的质量系统多能允许的引出线长度可以用以下经验公式来计算：对应于RS485 接口输出信号的上升或下降时间最小为250ns，总线允许的最大引出线长度约为5m,44,主要内容,45,RS485/42
33、2接口RS485/422及网络的构建接口电路、接口转换器（不讲）485/422网路通信工程注意事项RS485网络通信实例剖析,RS485网络通信实例,46,储罐液量油水界面测控仪属高新技术产品。仪器是运用磁控高新传感技术，针对不同介质液位、液量、温度的测控而研制开发的高性价比产品。其原理：当仪器供电之后，均匀分布的微电子探极与金属罐壁间产生匀强磁场，在此匀强磁场的整体环境中，通过特殊的射电干扰模式，致使多点磁通量发生变化，产生多个独立的磁感线。而设备中的采集仪根据不同介质的不同特性，对所有磁感线的描述进行集中分析，再根据磁感线的强弱程度，找出不同介质的临界点，转换成标准的线性信号输出给DCS或
34、二次仪表。而实现对液位、液量、温度的检测。,借助具有通信功能的智能化油水界面测量仪测量油田储油罐罐群的各个油罐的原油存贮数量。,系统构成,47,传感器测量结果,48,核心技术,49,485通信基本概念485通信网络构建方法485通信协议的理解232/485转换232串口通信程序设计,重中之重：通信协议和串口程序设计,测量设备提供的通信协议作用,50,通信协议详细地描述了测量仪数据的输入和输出命令、信息和数据，以便第三方使用和开发。1.1通信协议的作用 使信息和数据在上位机（主站）和测量仪之间有效地传递，允许访问测量仪的所有测量数据。测量仪可以实时采集现场数据的值,具备一个RS485通讯口，能满
35、足罐群监控系统的要求。其功能和技术指标参见用户手册。测量仪通信协议采用MODBUS RTU协议,本协议规定了应用系统中主机与测量仪之间，在应用层的通信协议。1.2 物理接口：连接上位机的主通信口，采用标准串行RS485通讯口，使用接线端子。信息传输方式为异步方式，起始位1位，数据位8位，停止位1位，无校验；数据传输缺省速率为9600b/s。,协议基本规则,51,以下规则确定在回路控制器和其他串行通信回路中设备的通信规则。所有回路通信应遵照主/从方式。在这种方式下，信息和数据在单个主站和从站（监控设备）之间传递。主站将初始化和控制所有在通信回路上传递的信息。无论如何都不能从一个从站开始通信。所有
36、环路上的通信都以“打包”方式发生。一个包裹中最多可含255个字节。组成这个包裹的字节构成标准异步串行数据，并按8位数据位，1位停止位，无校验位的方式传递。串行数据流由类似于RS232C中使用的设备产生。所有回路上的传送均分为两种打包方式：主/从传送从/主传送若主站或任何从站接收到含有未知命令的包裹，则该包裹将被忽略，且接收站不予响应。,数据帧结构描述,52,RTU模式 地址功能代码数据数量数据1.数据nCRC 16位校验,传输格式,53,(1)命令报文格式,传输命令举例,54,A、读矩阵点数据：下发命令：01 04 xxxx yyyy cccc（读从数据起始地址为xxxxH开始的（yyyy）个
37、矩阵点数据）01：为地址号，根据实际测量仪地址修改。04：为功能代码，不可变。xxxx：为读取数据的起始地址（范围：0最大矩阵点数，由具体产品决定）yyyy：为读取的数据个数（范围：0最大矩阵点数）。cccc：为CRC校验码。如：01040000001d3003（读从数据起始地址为0000H开始的（001d）29个矩阵点数据）,ZGL返回：01 04 yy,数据1H数据1L，数据2H数据2L数据60H数据60L，CRCL，CRCH。01：为地址号。04：为功能代码。yy：为返回数据字节数。数据1H数据1L，数据2H数据2L数据nH数据nL:为返回的矩阵点数据。CRCL，CRCH：为CRC校验码
38、。,55,读温度数据：（ZGL正在对温度转换过程当中，对通讯命令将不予响应,具体温度个数 以实际产品为准）下发命令：01 03 TTTT NNNN CCCC（整条指令固定不变）01：为地址号，根据实际测量仪地址修改。03：为功能代码，不可变。TTTT:代表读哪一路温度值，取值为：03。NNNN:代表读几个温度，取值为：1或者3。Cccc：为CRC校验码。读三个温度点T1、T2、T3数据：01 03 0000 0003 05CBZGL返回：如：01 03 06温度1H温度1L,温度2H温度2L,温度3H温度3L，CRCL，CRCH。（读取三个温度值）01：为地址号。03：为功能代码。06：为返回
39、数据字节数。温度1H温度1L,温度2H温度2L,温度3H温度3L：为返回的三点温度数据。CRCL，CRCH：为CRC校验码。上传温度数据无小数位，数据高8位为0表示温度为正温如温度上传16进制 0032F，对应十进制0050，表示50；上传温度数据高8位为1表示温度为负温：如温度上传16进制 ff37F，对应十进制0055，表示-55；,56,D、读矩阵点数及点长：下发命令：01 14 xxxx yyyy cccc 01：为地址号，根据实际测量仪地址修改。14：为功能代码，不可变。xxxx：为读取数据的起始地址，取值为：0000、0001或0002。yyyy：为读取数据的个数，取值为：0001
40、或0002。cccc：为CRC校验码。读矩阵点数：01 14 0001 0001 A1C9 读矩阵点长：01 14 0002 0001 51C9 读矩阵点数和点长：01 14 0000 0002 B008 ZGL返回：01 14 04,矩阵点H矩阵点L,点长H点长L,CRCL，CRCH。01：为地址号。14：为功能代码14功能码（十进制:20）。04：为返回数据字节数。矩阵点H矩阵点L,点长H点长L：为返回的数据。CRCL，CRCH：为CRC校验码。,仿真系统运行与解析,57,RS485网络通信实例,58,64路同步数据采集系统基本情况：由一台主控计算机8个数据采集模块（单片机实现）组成，每一
41、个数据采集模块有8个采集通道；,主控计算机用1个COM端口，通过232/485转换器与网络中的8个采集模块通信。采集模块由单片机实现，单片机的UART端口外接485转换器（具体电路参见课本P73），连接到485通信网络。主控机无地址，8个模块地址假设为10H17H采集数据时，主控机首先发布统一启动命令（通过485网络发出数据，各个模块处于监听接收状态），接收到启动命令，8个模块同时进入数据采集，从而实现64路同步采集。然后主控机逐次发布数据传输指令，将相应模块的数据传送到主控机。,思考一下：通过软件的方法如何实现？,基于RS485 通信的主从式粮仓监控系统,59,由于现代化的粮食仓储系统规模庞
42、大,因此对粮食的安全性提出了更高的要求。粮食本身的水分及粮仓内的湿度、温度是两个重要的控制指标。机械通风是保证水分适宜、实现储粮安全最常用最有效的手段之一。通常鼓风设备的开启和关停由仓库管理人员手工操作,但是由于粮仓众多,造成工作人员工作强度大,效率不高。而且人工操作很难捕捉通风的最佳时机,从而通风效率低,电耗大。为了解决这些问题,研发了基于RS485 串口通信构成的主从式网络监控系统,即由一台上位机(PC 机)与多台下位机(单片机)所构成,利用了单片机价格低、功能强、抗干扰能力好以及面向控制等优点,又结台了PC 丰富的软硬件资源,而且还利用了强大的计算机数据库处理分析能力,从而提供管理功能强
43、大、人机界面友好的操作控制平台。,系统要求具备的功能,60,系统要求的基本功能有:周期性自动轮询接收各个仓库的温/湿度值;人工查询某个仓库的温/湿度值;根据环境变化设置仓库温/湿度值的上下限;当温/湿度超过上下限时,上位机可报警显示。并给下位机发送自动开启或关闭仓库中的相关设备的命令,下位机收到命令后进行相应操作;将采集到的数据存入数据库,并且利用SQL 语句查询某个仓库在某一时间的温/湿度的值和平均值等,并可生成报表打印出来,以及显示每月温/湿度曲线图。,系统的总体设计,61,本监控网络系统中的通信采用RS485 串行总线。系统中所有下位机挂接于同一条数据通信总线,总线为各现场单元共享,为避
44、免总线通信的竞争与冲突,系统网络通信采用主从通信控制方法,即系统中每个下位机被赋予唯一的本机地址,采用上位机轮询,下位机应答的通信方式。,通信中的波特率为9600bps,通信格式为1 位起始位,8 位数据位,无校验位,1 位停止位。下图是此监控系统的总体框图。,通信过程描述,62,通信的主要过程如下:主机通过发送命令帧(以ASCII 码形式)启动一次通信,下位机收到命令帧后,判断呼叫地址是否和本机相同,如不同则丢弃该数据,不予理睬,若相同则根据提取出命令帧中的命令字,进行协议解析之后,按要求发送上位机所要的数据。若上位机在一定的时间内没有收到数据,则进行此命令的重发(重发不能超过三次),如果超
45、过三次,下位机仍然无应答,主机设置蜂鸣报警,提示通信出错并跳过此下位机继续执行。命令帧的格式如下:,63,其中帧头采用不常使用的标识符“#”表示,用以标志一帧的开始;第二项是下位机的地址码,取值为031;第三项为命令字,如字符“SWD”表示命令下位机传送温度值;字符“SSD”表示命令下位机传送湿度值;第四项偶校验,以保证通信的正确性;最后是结束字节,用“”表示。,64,当下位机响应上位机的命令后给上位机发送数据,数据帧格式如下:,数据帧和命令帧的不同在于第三项,其内容是下位机根据命令发送相应的数据。数据值中的内容为下位机所采集到的温度值或湿度值(根据命令来传送温度值或湿度值)。,由于季节和气候
46、环境的变化,粮仓内所要求的温湿度的取值也不一样。这时上位机就可以向下位机发送修改温度或湿度的上下限值的命令,此格式为:,此命令用“%”标识一帧的开始,以便和请求发送数据命令帧相区别,命令字为“C”,接着16 字节的数据是给下位机的温湿度的上下限的值(依次是温度的上、下限数值和湿度的上、下限数值)。结束字节仍用“”标识。当下位机收到此帧后,将相应的数据进行修改。下位机对此帧不作回应。,上位机硬件结构,65,为了具有良好的人机界面环境,上位机选用PC 机。但一般PC 机只有RS232 接口,且RS232 和RS485 接口电气特性互不兼容,为此选用RS232/485 转接器将RS232 信号转换成
47、RS485 的信号进行传输。此系统中采用的RS232/485 转接器是MWE485-D。它实现RS232 和RS485/422 光电隔离转换,外供+5V 电源;全双工半双工通用;通信距离可达3km(9.6Kbps)和多机通信(128 接点);一体化接线端子,超小型结构。MWE485-D 的2 脚TX是信号从转换器流向外,3 脚RX是信号从外部送入转换器,5 脚接地,4 脚DTR、6 脚DSR 已短接;7 脚RTS、8 脚CTS 已短接。右图是MWE485-D 的示意图。,下位机硬件结构,66,下位机主要由控制单元与现场数据采集单元共同组成。控制单元与现场数据采集单元是一个相对独立的智能型数据测
48、量与控制子系统,能进行粮仓内温/湿度的采集以及完成上位机指定的控制功能。当监控中心上位机与现场单元的单片机之间的通信发生故障时,各下位机仍可独立完成其所在仓库的数据采集,并将其存储。当下位机(AT89C51)向上位机发送数据帧时,将数据帧送至RS485 网络,此数据经RS485/RS232 转接器,由上位机的RS232 串行通信端口接收。,67,下位机中选用的RS485 通信收发器芯片为Maxim 公司的MAX1487,如图所示:RO 为接收器输出(A-B+0.2V,RO=“1”;A-B-0.2V,RO=“0”);DI 为驱动器输入;DE 为驱动器输出,高电平使能;RE 为接收器,低电平使能,
49、数据通过DE,RE 进行发送和接收。由于发送和接收两种控制信号是反相的,可将二者接同一个控制信号,如图中的P3.5,即“1”电平控制发送,“0”电平控制接收。A、B 端可实现多台下位机与一台上位机联网。数据采集单元在现场工作区通过温湿传感器SHT71 对粮仓环境状态进行实时测量。SHT71 是I2C 总线的温湿度传感器。由于AT89C51 不具备I2C总线接口,故使用单片机通用I/O 口线来虚拟I2C总线,传感器SHT71 和单片机的接法是用P1.0 来虚拟时钟线SCK,利用P1.1 来虚拟数据线DATA,如图所示。,单片机通过向SHT71 发送命令字(如:00011 测量温度,00101 测
50、量湿度)来采集数据,当下位机收到上位机发来的相关命令后将所需数据通过主从网络发给上位机,上位机再根据情况按预定的控制规律给下位机发送关于被控装置(排气扇、空调等)的控制信号,从而调整粮仓环境到指定标准范围。,上位机程序设计,68,编制网络监控系统软件的核心是如何读取和处理现场采集器的数据,编程时需注意以下几个问题:上位机采用轮询方式访问下位机,下位机从应答到发送完数据有一定的时间间隔。考虑到温/湿度的变化不是突变的,所以对下位机的轮询间隔设为2min;由于采用一个串口且为半双工通讯方式,一方发送数据时另一方必须等待接收,因此在发送非周期性命令时,必须停止轮询,否则会发生数据冲突;上位机连续呼叫
