基于RS-485的分布式多总线通信系统设计.pdf

发布时间：2022-06-17 发布人：admin 分类：说明书资料大小：9.51M 资料格式：pdf 举报版权申诉

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第1页.png

第1页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第2页.png

第2页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第3页.png

第3页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第4页.png

第4页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第5页.png

第5页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第6页.png

第6页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第7页.png

第7页 / 共63页

5025811e-4d2e-4602-99c7-5d39371004a9.pdf-第8页.png

第8页 / 共63页

声明

摘要

英文摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多总线通信设备研究现状

1．2．1 高速串行总线发展现状

1．2．2 多总线通信技术发展现状

1．3 本文主要工作

2 系统总体方案设计

2．1 概述

2．2 系统整体设计方案

2．3 上位机与多总线通信系统连接方式设计

2．4 总线数据格式制定

2．5 本章小结

3 系统硬件设计

3．1 高速RS-485总线方案设计

3．2 总线节点芯片选型

3．3 电磁兼容性原则

3．4 总线节点电路设计

3．4．1 JTAG电路设计

3．4．2 时钟电路设计

3．4．3 总线通讯接口电路设计

3．4．4 USB接口电路设计

3．4．5 RS-232接口与RS-485接口设计

3．5 总线母板电路设计

3．5．1 电源管理电路设计

3．5．2 母板结构设计

3．6 多总线通信系统面板设计

3．7 本章小结

4 下位机软件设计

4．1 开发环境介绍

4．2 下位机程序的实现

4．3 CRC校验算法

4．4 外置UART芯片工作原理

4．5 总线节点与上位机UART通讯实现

4．6 总线节点与设备间UART通讯实现

4．7 USB通讯实现

4．8 节点UART波特率设置及USB连接检测

4．9 本章小结

5 上位机软件设计

5．1 labview串口通讯

5．2 通讯接口选择界面设计

5．2．1 多总线通信系统连接状态检测

5．2．2 多总线通信系统串口号获取

5．2．3 多总线通信系统通讯接口选择

5．2 RS-232&RS-485通讯软件设计

5．3 USB通讯界面设计

5．4 本章小结

6 总线通信功能验证

6．1 实验原理

6．2 实验步骤及结果

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录A 硕士期间论文发表情况

附录B CRC-16校验算法程序

附录C 多总线通信系统连接状态监测程序

声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：丝毫叁 2口侈年弓月工妇学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：舀三垄及。73年3月越日

硕士论文基于高速RS．485的分布式多总线通信系统摘要无论是工业控制还是信号测试领域，实现不同通讯协议的数据融合都有着的迫切需要。但是目前市场中存在的协议转换器只能满足两种协议之间的转换，如RS．485转 RS．232，USB转RS．485等，但是经常存在着多种数据总线并存的情况，因此研制多种总线协议转换的设备有着比较大的实际意义。基于以上原因，本论文提出一种基于高速RS-485的多总线通信系统。整个系统包含多个RS．485节点，各个节点包含的通讯接口包括RS．232、RS．485和USB，从而实现这三类总线的通讯协议的转换。实际应用过程中，可以根据具体的要求选择合适的节点的个数，组成整体系统，从而实现多种总线间的通讯协议的数据融合。系统中的高速RS．485总线是采用ARM芯片LPCI756结合外置UART芯片 SCl6IS762的方案实现，其最高速率5Mbps。总线中加入了CRC．16算法，并提出了一套简单易行的出错处理机制，保证数据通讯过程中的正确性。上位机与协议转换系统之间采用基于USB的虚拟串口通讯，从此本文中提出了一种串口设备连接状态检测及自动初始化的方法。本系统的特点在于采用总线结构保证系统的灵活性，多设备通讯接口且通讯速率可选保证系统的通用性，采用校验算法及各类抗干扰措施保证系统的可靠性。哭戆词：高速，串行总线，协议转换，RS．485，USB，CRC

Abstract 硕士论文 ABSTRACT Whether in the field of industrial control or signal test，the achievement of data fusion which is based on different communication protocol is urgent needed．HoweveL in the current market，protocol converter can only achieve conversion between two protocols，such as RS-485 to RS一232，USB to RS-485 and SO on．Because of a large of cases of coexistence of multiple data bus，it has great practical significance to develop an equipment for protocol conversion among different buses． Based on the reasons above，a high—speed RS-485-based multi-bus communication system is presented in this paper．The entire system which is used to realize the three categories of bus communication protocol conversion consists of some RS一485 nodes，each node contains the communication interfaces including RS-232，RS-485 and USB．In the practical application，the number of nodes can be changed as required to form system，for achievement of data fusion between a variety of bus communication protoc01． An ARM chip LPC 1 756 combining wim an external of UART chip SC 1 6IS762 are used in lligh speed RS一485 circuit of this system to achieve the hi曲est rate of 5Mbps．CRC-1 6 algorithm is added to the Bus，and a set of simple and practicable error handing mechanism is put forward to ensure the correctness of the data communication process．Virtual serial port communication which is based on USB is used between upper moniter and the protocol conversion system，therefore a serial device connection status detection and automatic initialization method is proposed in this article． The characteristic of this system is the use of the bus structure to ensure the system’S flexibility,multi—device communication interface and speed versatility of optional guarantee system，the use of the checksum algorithm and various types of anti-interference measures to ensure system reliability． Keywords：Hilgh Speed，Serial Bus，Protocol Conversion，RS一485，USB，CRC II

硕士论文基于高速RS．485的分布式多总线通信系统目录要………………………………………………………………………………………。I 摘 ABSTRACT………………………………．…………………………………………………………．II 目录．．。。。。。．．。。．。．．。．。．。．。．…。。。。。。…．。．…。。。…。。。．。。。。…。．．．…。。．。。。。．．。。。III 1绪论……………………………………………………………………………………………………1 1．1研究背景及意义……………………………………………………………………1 1．2多总线通信设备研究现状…………………………………………………………2 1．2．1高速串行总线发展现状……………………………………………………．2 1．2．2多总线通信技术发展现状…………………………………………………．3 1．3本文主要工作………………………………………………………………………4 2系统总体方案设计………………………………………………………………………6 2．1概述……………………………………………………………………………………………………………．6 2．2系统整体设计方案…………………………………………………………………6 2．3上位机与多总线通信系统连接方式设计…………………………………………8 2．4总线数据格式制定…………………………………………………………………8 2．5本章小结…………………………………………………………………………．．10 3系统硬件设计…………………………………………………………………………．．11 3．1高速RS．485总线方案设计………………………………………………………11 3．2总线节点芯片选型………………………………………………………………．．11 3．3电磁兼容性原则…………………………………………………………………．．13 3．4总线节点电路设计………………………………………………………………．．14 3．4．1 JTAG电路设计……………………………………………………………．14 3．4．2时钟电路设计………………………………………………………………15 3．4．3总线通讯接口电路设计……………………………………………………15 3．4．4 USB接口电路设计…………………………………………………………16 3．4．5 RS．232接口与RS．485接口设计…………………………………………17 3．5总线母板电路设计………………………………………………………………．．17 3．5．1电源管理电路设计…………………………………………………………17 3．5．2母板结构设计………………………………………………………………19 3．6多总线通信系统面板设计………………………………………………………．．19 3．7本章小结…………………………………………………………………………一20 III

目录硕士论文 4下位机软件设计…………………………………………………………………………2 1 4．1开发环境介绍……………………………………………………………………．．21 4．2下位机程序的实现…………………………………………………………………21 4．3 CRC校验算法……………………………………………………………………。23 4．4外置UART芯片工作原理………………………………………………………．24 4．5总线节点与上位机UART通讯实现……………………………………………．27 4．6总线节点与设备间UART通讯实现……………………………………………．29 4．7 USB通讯实现……………………………………………………………………．．30 4．8节点UART波特率设置及USB连接检测………………………………………33 4．9本章小结…………………………………………………………………………．．34 5上位机软件设计………………………………………………………………………。35 5．1 labview串口通讯………………………………………………………………………………………．．35 5．2通讯接口选择界面设计…………………………………………………………．．36 5．2．1多总线通信系统连接状态检测……………………………………………37 5．2．2多总线通信系统串口号获取………………………………………………38 5．2．3多总线通信系统通讯接口选择……………………………………………40 5．2 RS．232&RS一485通讯软件设计…………………………………………………．．41 5．3 USB通讯界面设计………………………………………………………………．．42 5．4本章小结…………………………………………………………………………．．43 6总线通信功能验证………………………………………………………………………．44 6．1实验原理…………………………………………………………………………。44 6．2实验步骤及结果…………………………………………………………………．．45 6．3本章小结……………………………………………………………………………．49 7总结与展望………………………………………………………………………………50 7．1总结…………………………………………………………………………………………………………．．50 7．2展望…………………………………………………………………………………………………………．．50 致谢………………………………………………………………………………………………52 参考文献………………………………………………………………………………………53 附录A硕士期间论文发表情况…………………………………………………………56 附录B CRC．16校验算法程序………………………………………………………。57 附录c多总线通信系统连接状态监测程序……………………………………．58 IV

基于高速RS．485的分布式多总线通信系统硕士论文 1绪论 1．1研究背景及意义目前，信息处理系统的信息量越来越多，信息交换速度也越来越快，系统中各种单元与信息处理部分的信息交互也越来越复杂。由此促使了总线体系的出现和发展，从而解决了复杂的信息处理交换问题，使得各种庞大复杂的信息系统在工程上得以实现【11。随着不断提升的系统处理数据量和对处理速度要求，由于并行总线存在具有串扰和时钟同步等缺陷，其已经无法满足系统数据交换的需求。高速串行总线由于采用低压差分等技术，其电路具有传输速度快、结构简单和扩展性能强等优点，已经逐步成为主流的总线电路方案。而且由于嵌入式等技术的发展，高速串行总线的可编程资源也大大增加，在系统集成方面也能满足需要，从而提高了系统的适应性和灵活性。目前，高速串行总线正广泛的应用于各类控制设备、测量仪器及仪表中。高速串行总线新技术的研究对于进一步提高现代生产、生活效率，促进智能化信息系统的发展有着重要的现实意义。信息交互与自动控制系统技术的发展日新月异。信息系统发展的主流方向逐步成为智能化、信息化、微型化、网络化、数字化、分散化【2】。随着各种编码、接IZl技术的发展和系统规模的不断扩大，出现了各种不同数据格式和接口的信息系统和高速总线。同一系统中的不同设备会采取不同的总线，而且即使是同一设备可能也具有不同的总线接 El。多总线之间的通讯协议转换和数据通讯，使信息系统从设计、运行及检修维护等多个方面体现出优越性。为了实现系统对设备的控制使其实现协调工作，研究不同总线间通讯协议的转换对简化复杂系统结构和提高系统工作可靠性都具有较深的实际意义。在现代生产和生活中，多数信息传输和处理系统中信息交互量非常大，交互速度也很高，且包含多种数据不同接口的前端仪器和设备。同时，由于现场工作条件，其体积和重量受到严格限制，实现各种系统及设备间数据的高速与可靠地通讯已经成为亟待解决的问题。针对这一问题，本论文研究设计了一种基于RS．485的分布式多总线通信系统，系统由基于高速RS-485的总线节点组成，节点中具有目前几种常用的RS．232总线、 RS一485总线及USB的通讯功能，且分布式系统的总线节点个数可根据实际的应用进行改变，从而可以满足对多个RS．232、RS．485和USB接口设备进行通讯及控制等。本论文的工作对解决复杂分布式系统的数据高速通讯问题有具有重要的研究意义应用价值，为进一步发展可编程化、通用化、模块化及标准化的信息处理系统或其他控制系统奠定了基础。

l绪论硕士论文 1．2多总线通信设备研究现状 1．2．1高速串行总线发展现状在过去的30多年中，总线技术已被广泛应用于工业控制领域等。总线发展的方向主要有串行、高速及采用嵌入式方案等【l，3】。总线技术的现状为多种总线并存，应用领域不断扩展且总线网络结构趋于简单化。其中，常用的几种高速总线的发展现状如下： 1)RS．485总线 RS．485标准由电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布，后由通讯工业协会(TIA) 修订，并命名为TIA／EIA．485．A。RS．485采用平衡驱动差分接收电路，最高传输速率为 52Mbps，最大传输距离为1200m，最多可挂载总线节点数为32个【¨】，工作方式为半双工。由此可以看出RS-485总线可应用于高速、远距离传送数据和信息。2009年清华大学，精密仪器与机械学系李成，王鹏等采用FPGA结合RS．485收发器，并采用CRC校验算法，实现了通讯距离为200m，速率为20Mbps，总线误码率为10。11的RS．485总线17J。 2007年周立功公司采用外置UART芯片SCl6IS762结合MAX485芯片的方案实现 5Mbps高速RS．485总线方案。 2)LVDS总线 LVDS为低电压差分信号，总线速率可以高达1．923Gbps，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点【引。主要应用于对信号完整性、共模特性要求较高的场合，且对系统的抗抖动具有很高的要求。此总线采用点对点或一点对多点的方式进行连接，因此此总线不适合于组网，无法适用于复杂的分布式系统中。目前，此总线主要应用于打印机、显示器等设备中。 3)USB总线 USB总线是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom 等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。采用USB总线可以为外设提供电源，无需采用单独的供电系统。USBl．1标准最高通讯速率可以达到12Mbps，可以应用于对大多数数据采集系统中。当USB主机与USB设备间都具备支持USB2．0标准的接口芯片时，通讯速率最快可以达到480Mbps。而且 USB协议可以向下兼容，当USB主机与USB设备间通讯协议不一致时，仍然可以实现通讯。目前USB总线广泛的应用于键盘、游戏杆、鼠标及声音，图象设备等例。 4)以太网总线以太网于1980年由DEC、Intel和Xerox三家公司联合开发，并成为一个标准。以太网已经成为当前的局域网中应用最为广泛，其中包括标准的以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)和10G以太网(10Gbps)，都采用CSMA／CD访问控制法，

硕士论文基于高速RS．485的分布式多总线通信系统并且都符合IEEE802．3标准【10,11 J。以太网总线拓扑结构主要分为总线型拓扑和星型拓扑两种。采用总线拓扑时，系统所需的电缆较少且价格便宜。但是，此方案具有管理成本高，不易隔离故障点，容易造成网络拥塞等缺点。采用星型拓扑结构，此方案具有管理方便、容易扩展等优点。但是采用此方案时需要专用的网络设备作为网络的核心节点、所需网线较多，此方案成本较高，且无法对体积有严格要求的环境中【l 21。 1．2．2多总线通信技术发展现状从二十世纪七十年代起，计算机网络进入了一个蓬勃发展的时期，各种网络如雨后春笋相继出现，但由于未制定一个统一的结构体系，不同网络之间无法实现互联。为了解决这个问题，开放系统互连参考模型(OSI)应运而生，其将网络通信自上而下分为 7层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，每一层都完成相应的功能，并直接为上层提供服务【13】。OSI的推出为网络协议的制定提供了一个参考标准，各类总线的协议大多都是在OSI的基础上，并根据自身的特点进行设计的，所以早期的许多协议转换研究都是在OSI的基础上展开的。多总线通信技术的核心也正是基于OSI标准，从而实现各个总线间的协议的转换。总线协议的转换根据协议之间的差异可分为同类协议间的转换和异类协议间转换。同类型的总线间，主要的区别在于应用层。对于协议转换，人们更关注的还是异类协议间的转换。目前，异类总线协议转换方法主要有两种，分别为基于OPC的协议转换技术和协议转换网关技术【l 41。 OPC技术全称是Object Linking and Embeding for Process Control，它已成为现场控制设备和过程管理系统进行通信的技术规范和标准。OPC技术基于微软的OLE技术，采用了客户／服务器模式，访问接口由硬件生产厂家或第三方负责开发，并采用服务器的形式提供给客户，用户负责创建服务器对象和访问服务支持的接口。OPC服务器读取现场设备的数据，从而可以实现不同硬件厂商的不同类型数据转换为格式统一的OPC数据，并通过OPC接口将数据传递给管理计算机，从而实现各种系统的集成。采用OPC 接口技术可以实现不同总线之间的互联，其协议转换的工作都由上位机软件完成【15~F71。网关为可以实现网络兼容功能的设施，当不同体系结构或协议的网络之间互通时，可以实现总线协议转换、路由选择、数据交换等。网关最早出现在计算机网络的互联当中，但由于总线系统与计算机网络所具有的相似性，网关已被引入到总线的协议转换研究当中【18~191。目前，采用工业以太网技术或OPC接口技术可以实现不同总线间的互操作，但这只能在各系统的主机间实现，现场设备间目前还无法直接进行，因而达不到系统的实时性要求。所以在很多实时性要求高的场合，使用协议转换网关更为适合。随着计算机技术及半导体技术的发展，多总线通信研究重点也逐渐从理论探索转向实际应

分享到：

赞收藏

资料库

基于RS-485的分布式多总线通信系统设计.pdf

相关推荐

网络技术

热门标签

最新资料