RS485總線集線器設計開題報告_第1頁
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文檔簡介

1、開題報告電子信息工程RS485總線集線器設計1選題的背景、意義1. 1 RS-485總線的應用在工業(yè)控制設備之間中長距離通信的諸多方案中,RS-485系統(tǒng)總線因硬件 設il簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點廣泛應用于工廠自動化、工業(yè)控制、小區(qū) 監(jiān)控、水利自動測控等領域。山于RS-485是基于差分信號傳送的吊行通信協(xié)議, 使得它的抗干擾能力強。RS485總線應用廣泛,特別在國內(nèi)具有很強的影響力。U前許多廠家生產(chǎn)的設備大多提供接口,并以此為標準。例如許多集中式水表采集器、集中式電表生 產(chǎn)廠家的產(chǎn)品都內(nèi)置RS458芯片,提供信號輸出接口?,F(xiàn)在新開發(fā)的各種產(chǎn)品, 廠家還是習慣于沿用這種標準。其次,與應用普

2、遍且為計算機標準配置的接口的 轉換器或設備十分常見和通用,這更增加了總線的應用廣泛性??偩€技術實現(xiàn)成 本低廉,傳輸距離較遠,通訊可鼎,抗干擾能力強,可實現(xiàn)多點通一訊現(xiàn)在的通 用技術已可以帶到個節(jié)點。另外,這一標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定,而不 涉及接插件、電纜或協(xié)議,在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議,因此 較其它標準更具有靈活性。RS-485通信接口所組成的網(wǎng)絡是工業(yè)控制及測量領域較為常用的物理層網(wǎng)絡。RS-485具有物理連接方便、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點,釆用這種通 信接口可以十分方便地將許多設備組成一個控制網(wǎng)絡。山于RS-485通信接口控 制芯片的成本低廉且技術成熟,所以現(xiàn)

3、在許多儀表生產(chǎn)廠商都可以開發(fā)出支持RS-485通信接口的儀表,并通過這個接口實現(xiàn)多個儀表的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)上傳功能。對于RS-485通信接口的應用大體可分成以下三個方面冏:(1)特殊用途測量儀表。山于現(xiàn)在的專用測量儀表已逐步智能化,其檢測輸出的信號不再是一個單一的值,釆用通常的4、20mA的電流信號己不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?2) 智能數(shù)據(jù)采集1/0模塊。在工控機測控系統(tǒng)中,隨著技術的發(fā)展數(shù)據(jù)釆集I/O模塊已得到了越來越廣泛的應用。但這些I/O模塊的輸入輸出通道和數(shù)據(jù) 轉換模式一般是固定的,所以在一個工控系統(tǒng)必然會用到多個I/O模塊,這就要 求在工控系統(tǒng)中能夠使用一臺工控計算機同時與多個I/O模塊實

4、現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。而RS-485通信接口就成為許多智能模塊廠商所采用的通信方式。(3) 智能控制器及變頻器等?,F(xiàn)在的工業(yè)自動控制系統(tǒng)中大量地采用了智能調(diào)節(jié)儀實現(xiàn)回路的調(diào)節(jié)控制,而變頻器的應用也越來越廣泛。要實現(xiàn)對這些設備 的集中數(shù)據(jù)采集及管理控制,就要求這些設備具備數(shù)據(jù)通訊的功能。而這些設備 就利用RS-485通信接口將多個智能儀表組成網(wǎng)絡實現(xiàn)與工控計算機的數(shù)據(jù)通訊, 使得只占用很少工控機接口資源就可以管理盡可能多的設備191。1.2論文的意義RS-485總線的應用雖然廣泛,但它在使用中卻存在這許多不足之處。因為在實際工程應用中如果沒有RS-485總線集線器,會使RS-485總線的使用存在很 大的局

5、限性,這表現(xiàn)在傳輸距離、終端之間的相互影響、總線的負載能力、總線 的拓撲結構等方面。下面將具體說明:(1) 傳輸距離的限制。理論上,當總線傳輸速率低于lOOKb/s時RS485的有效傳輸距離可以達到1200M12】。但在工程應用中實際傳輸距離遠遠達不到這個標 準,即使信號可以傳輸?shù)竭@個距離,但波形也會產(chǎn)生失真,信號會出現(xiàn)漏碼、誤 碼的現(xiàn)象,導致接收到的信號不可鼎??偩€的傳輸距離與多方面的因素有關,包 括傳輸導線雙絞線的密度、線間電容、導線的粗細、總線上負載的數(shù)量、發(fā)送信 號的幅度和傳輸波特率等因素。因此在長距離傳輸時應當加裝RS-485中繼器,其 作用是在信號尚未衰減失真之前,將信號正確接收后

6、然后轉發(fā)出去,達到使總線 傳輸距離增加一倍的效果。(2) 終端之間的相互影響。RS-485協(xié)議規(guī)定,所有的RS-485終端設備,無論發(fā)送器還是接收器都應當并行地掛接在總線上。如果某個終端的收發(fā)器出現(xiàn)損 壞,導致數(shù)據(jù)線A、B端之間發(fā)生短路,那么總線上的所有終端將無法進行通信。因此在多終端的悄況下,終端之間要求分段隔離,互不影響。這樣,提高了總線的穩(wěn)定性,減少了故障的發(fā)生。(3) 終端數(shù)量的擴展。RS-485驅動器的驅動能力是有限的。當總線上掛接的終端過多、負載過重以至于傳輸?shù)男盘柗冉档偷?00mV以下時,接收器將無法 正確識別信號。(4) RS-485總線拓撲結構。RS-485協(xié)議采用線性總線

7、結構作為網(wǎng)絡拓撲,終端支線的長度不應超過2M。然而,在實際悄況中可能會發(fā)生終端所處位置非常 分散的悄況,如果使用線性拓撲進行連接的話,連接線將變得很長,使得工程應 用中有些終端的支線長度遠遠超過2M。且支線上還可能掛接有多個終端,網(wǎng)絡 拓撲并非嚴格的線性總線結構,而是呈現(xiàn)出星形或者線性與星形相結合情況。這 就造成了傳輸線阻抗不連續(xù),信號傳輸時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象,從而影響信號的正確 傳輸。本課題的任務就是設計一個485總線的集線器。它可以有效的解決以上出現(xiàn) 的兒個問題。RS-485集線器的作用是將一路485信號分為多路輸出。RS-485集 線器的設計和功能可以使它一機多用,它既可以作為延長通信距離的

8、RS-485中 繼器,也可以作為信號隔離器,乂可以作為終端數(shù)量擴展器,還可以使RS-485 網(wǎng)絡拓撲成星型結構以滿足建網(wǎng)需求。理論上,在RS-485總線上使用集線器, 可以彌補RS-485的不足。2相關研究的最新成果及動態(tài)2.1 485總線集線器的應用485集線器在國內(nèi)外應用普遍,研究成果很多。其技術、方法各異,所達到的U標和要求也有所不同。國外起步較早,某些地區(qū)在此領域己制訂了相關行業(yè) 標準,技術也較先進,并不斷地開發(fā)新技術。485技術在80年代開始進入我國。RS-485標準通常作為一種相對經(jīng)濟、具有相當高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離遠、寬共模范W的通信平臺。同時,RS-485電路具

9、有控制方便、成本低廉等優(yōu)點。RS-485標準作為一種多點 差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范,被應用在許多不同的領域,作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。U前, 在我國的自動化監(jiān)控、安全防護、門禁考勤及工業(yè)自動化系統(tǒng)中得到迅速普及和 應用。U前,我國的485集線器應用已比較普遍,現(xiàn)有的485集線器的生產(chǎn)廠商很多。485集線器大都提供星型RS-485總線。各端均具有短路、開路保護。用戶 可以輕易的改善RS-485總線結構,分割網(wǎng)段,提高通信可靠性。當雷擊或者設 備故障產(chǎn)生時,出現(xiàn)問題的網(wǎng)段將被隔離,以確保其他網(wǎng)段的正常工作。大大提 高了現(xiàn)有網(wǎng)絡的可黑性,有效縮短了網(wǎng)絡的維護時間。下面是一個實際中的應用:假設在某智能樓宇工程當

10、中,其中的所有設備都采用485接口與電腦進行通 訊,但是在現(xiàn)場施工當中,發(fā)現(xiàn)如果按照原先的單純485總線的施丄的話,就會 出現(xiàn)一些問題:l.Hl于智能樓宇工程中要求的功能越來越多,所以其中的設備也 越來越多,但是原有的485轉換器并不能帶這么多的設備。2由于485總線的特 點,一旦總線上有一個設備出現(xiàn)問題的話,會導致整個總線出現(xiàn)問題,從而導致針對這種W況,使用485集線器可以很好的解決這個問題,利用485光隔 離集線器的將單個485總線分割成多個485總線的特性,將每層樓區(qū)隔成一個485總線,從而可以帶比原先更多的485設備,而且一旦一個總線上有485設備發(fā)生問題,也可以將其區(qū)隔,從而只是影響

11、一層樓,而不是導致整個系統(tǒng)的崩潰。效果如圖1所示。脈務器485«StiK煙«沮總該系統(tǒng)在使用485總線集線器之后,使每一層的485總線相互獨立,大大提 高了 485總線的穩(wěn)定性。并在以后的維護中提供了極大的方便。22最新成果RS-485集線器是一款專為解決復雜的電磁場環(huán)境下RS-485總線大系統(tǒng)要求而設計的RS-485總線分割集中器(485hub)o可以提供更加靈活的RS-485星型總線 結構RS-485接口輸入、輸出端均采用獨立驅動方式,改變原有總線的單一式結osBtaaHn構為星型網(wǎng)絡結構,可以給工程建設及系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來極大產(chǎn)品特點:工業(yè)級光電隔離:為所有的RS-48

12、5接口提供3KV以上的IhBhB 光電隔離,有效的解決了外界雷擊浪涌和地電位差帶來的傳輸問題小1。短路開路保護:具有RS-485端口故障告警功能,并能自動切掉故障端口, 這種設計能夠保證當其中連接的RS-485端口設備發(fā)生故障時,出現(xiàn)問題的RS-485端口將被隔離,以確保其他網(wǎng)段的設備正常工作。星形連接:提供更加靈活的RS-485星型總線結構RS-485接口輸入、輸出 端均采用獨立驅動方式,改變原有總線的單一式結構為網(wǎng)絡結構給工程建設及系 統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來極大的好處。數(shù)據(jù)流向自動控制:通過硬件解決數(shù)據(jù)流向問題,自動判別和控制數(shù)據(jù)傳輸 方向。技術參數(shù)接口特性:審口符合EIARS-232/485協(xié)議

13、電氣接口:審口接口位接線端子傳輸介質:超五類雙絞屏蔽線或者485專用線工作方式:異步工作,點對點或多點,2線半雙工隔離度:隔離電壓3000V傳輸距離:RS-485端1200米,RS-232端建議不超過5米尺寸:120L*80W*25.5H 毫米(帶接線端子尺寸:140L*105W*25.5H毫來)使用環(huán)境:溫度:-2(rc-6(rc,濕度:5%95%傳輸速率:300bps115200bps保護等級:應用領域:用于點對點、點對多點通訊、工業(yè)控制自動化、道路交通控制自動化、智能卡、 考勤、門禁、售飯系統(tǒng)、工業(yè)集散分布系統(tǒng)、閉路監(jiān)控、安防系統(tǒng)、POS系統(tǒng)、 樓宇自控系統(tǒng)、自助銀行系統(tǒng)1期。2.3發(fā)展

14、趨勢隨著RS485總線在工業(yè)控制中的廣泛應用,485總線系統(tǒng)原來越大,越來 越復雜。如果連接成樹型或星型,就會影響總線通信效果,使得485總線的穩(wěn)定性也越來越差。引入485集線器可以很好的解決這個問題。未來,485集線器應 用于485總線的系統(tǒng)將會得到越來越廣泛的應用。3課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法(技術路線).研究難點及預期達到的目標3.1研究內(nèi)容山于485總線在應用中的不足,設計一個RS485總線集線器,就能滿足485 總線的樹型或星型連接的需求,并能保證總線的通信質量及其穩(wěn)定性。通常,RS-485集線器的設計為單片機控制的方案,它將總線上的數(shù)據(jù)接收下來,再發(fā)送到其他線路上,這種方法一

15、般對資源的要求較高。本設計將是一個純硬件的方 案,雖然難度降低了,資源也減少了,但它能滿足使用上的一般要求,是個較為 經(jīng)濟的方案。3. 2技術路線基于485芯片的特性,使用純硬件設計的方法,其主要內(nèi)容如下:1.485接口電路設計; 2,中繼和轉發(fā)機制設ih 3.電源電路設ih4. 整機功耗控制。5. 時序分析6. 原理圖繪制7. PCB繪制&實際做板9測試,得出結論3. 3研究難點1. 電路的設計2. 穩(wěn)定性和功耗的控制3. 4預期U標完成設訃要求,成功設計一個RS485總線集線器,在測試后使用正常。并在 實際中能安全使用,可以解決RS-485總線在使用中的問題。4研究工作詳細工作進度

16、和安排2010. 11. 20-2011. 1. 10 前完成文獻綜述,外文翻譯2011. 3. 5前完成開題報告2011. 3. 8-3. 19完成論文大綱,并完成原理性內(nèi)容(485總線原理、總線分支或集線設備的基本原理和可能的實現(xiàn)方式等)選定設計方案2011. 3. 21-3. 25完成protel原理圖設計,同時對所用器件進行采購查2011. 3. 28-4. 1完成對原理圖的電路模擬2011.4.4-4.7從原理圖導出網(wǎng)絡表,完成PCB圖設計2011. 4. 8-4. 19實際做板,并完成PCB焊接2011. 4. 20-4. 31完成調(diào)試2011. 5. 1-2. 10前完成設計初稿

17、2011. 5. 10 -5. 20前設汁定稿2011. 5. 27開始答辯5參考文獻1亓濤基于RS485網(wǎng)絡的遠程集中抄表系統(tǒng)設計與實現(xiàn)D山東科技大學,20052邱長豐基于RS485總線的網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)若干關鍵技術研究D.哈爾濱工業(yè)大學,20063張紅兵,黃石生,周漪清.自動轉換收發(fā)狀態(tài)的RS-485信號分配器及其設IKJ-電測與儀表,2005 (3): 51-54.4王格芳,陳國順等.一種網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)的設訃與應用測試技術學報,2004.18 (1): 46-49劉金宇,孟晨等.網(wǎng)絡化測試技術綜述-訃算機測量與控制,2003, 11(8):561-5636饒運濤、鄒繼軍、鄭勇蕓.現(xiàn)場總線C

18、AX原理與應用技術.北京航空航天大學出版社,2003: 14-197朱玉華.兒種典型現(xiàn)場總線的比較.遼宇石油化丄高等??茖W校學報,2002,18 (2): 21-238萬福君,潘松峰,徐茂榮單片微機原理系統(tǒng)設計與應用M合肥:中國科學技術大學出版社,2001: 89陽憲惠現(xiàn)場總線技術及其應用M北京:清華大學出版社,1999: 610黃沛芳.RS-485總線的死鎖檢測與解除J單片機與嵌入武系統(tǒng)應用,2001, 12: 32-3411李建兵,周東方,岳春生主控權可切換的485總線分布式控制系統(tǒng)J 微型機與應用,2001, 12: 20-2112綁寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計M北京:北京航空航天大學出版社,1996.13 ht

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