基于RS485总线的小型集散系统设计

1.前言

集散控制系统是一种价格昂贵的自动化控制装置，国内外集散系统制造公司，在生产大型集散系统的同时，都推出了同系列的小型集散系统，即使这样，其价格对国内小企业而言仍然偏高。我们从我国中小企业的实际情况出发，以个人计算机做操纵站，通过RS-485总线与多台DCS基本控制器组成了一种简易集散系统，经济实用。
　　
2.系统的组成及其框图

整个系统包括一台PC或者IPC作为操纵站用于组态、实时监控，多个DCS基本控制器（最多32个）负责现场控制，操纵站和基本控制器之间通讯采用RS-485总线标准。系统结构如图1 所示。操纵站可选用带有RS－485串行通讯接口工控机，或者选用一般PC机，但要在RS-232接口上增加一个RS-232/RS-485接口转换器。我们采用Atronix的ADC-106接口转换器可将RS-232C串行口的数据发送（TD）和数据接收（RD）信号转换成两线平衡的半双工RS-485信号。每个控制器也配有相应的RS－485接口，我们采用MAXIM的MAX485收发器。
　　 

图1. 系统结构图

3．系统通讯

3．1 通讯网络的硬件构成

3．1．1 RS-485简介及系统连接图

整个系统采用的RS-485总线标准进行数据传输。RS—485总线速度快（最大10MB/S）,传送间隔远（90KB/S下可传1200米）, 以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，答应一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。因此产业现场控制系统中一般采用该总线标准进行数据传输。通讯网络各节点均带有RS－485串行通讯接口。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当（120欧）。整个通讯系统具体连接如图2。
　　 

图2 通讯网络连接图

3．1．2 ADC-106接口转换器先容

该转换器可直接插进标准的DB9针RS-232C串口，并从其中的TXD、DTR、RTS信号供电、并且供电信号电平应大于+5V、RS-485接口端通过自制DB9孔连接器连接。

3．1．3 MAX485收发器先容

基本控制器的网络接口均采用了MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485。其控制十分简单，RE为接受控制端，DE为发送控制端。用80C196KC的一个输出口P1.0与两个控制端相连，平时置P1.0为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使P1.0为高。收发器的网络连接，如图3。
　　 

图3 MAX485连接示意图

3．2 网络通讯协议

PC与各下位机实行严格的广播式的主从通讯方式。从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。从机之间通讯不能直接进行，而必须由主机中转。数据通讯波特率为9600b/s。每个控制器都有唯一的地址号，此地址号唯一区别各控制器。帧格式为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。 数据格式采用数据包的形式，数据包格式如下：
　　 

PC（或IPC）通过RS－485网络广播自己所要求的下位机地址，所有下位机都收听广播，记下广播地址。各下位机把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的下位机为被选中的下位机，其余下位机皆为未选中的下位机，暂时从网络上隔离。网络上只剩下主机与选中的下位机，按主从式双机的通讯过程进行通讯。下位机通讯流程如下：

图4 下位机通讯流程图

4 基本控制器的设计及功能

基本控制器是控制的软硬件核心，它设计的好坏将直接影响系统的可用性、实时性和可靠性。为满足实时性高，数据处理量大的要求。选用intel公司的16位单片机80C196KC作为控制器的CPU。整个控制器采用双CPU结构，一个CPU主管数据采集、实时控制，一个CPU主管数据通讯，它们之间数据交换通过双端口RAM（IDT7132）。整个控制用具有8路模拟量输进通道，6路模拟量输出通道（其中两路为PWM输出），16路开关量输进，16路开关量输出，2个脉冲量输进。其结构如图5所示：

主控CPU主管数据采集以及信号的处理，接受上位机发来的组态程序进行现场的控制。

由于采用了整个组态程序完全由上位机下传至控制器的RAM中执行的方式，使得控制非常灵活，主控CPU除了能进行基本的控制之外，还能进行先进的控制算法。另外还具有在线调整控制参数功能、多种报警功能。

通讯CPU的功能主要有：

1. 完成串并行数码的互换。
   2.用串行通讯方式发送本地信息，识别本地地址并接受通讯数据。
   3.对发送数据加上检验段，并检查接收数据的检验段。
   4.利用地址译码ROM把高速数据通道的目的地址和存储器目的地址翻译成对应的内部存储器地址。
   5.通过向主CPU发出中断，完成数据的内部传送，并产生读写脉冲，地址和各数据位。
   6.数据通道电平和内部TTL电平的匹配。
   　　 
   

2. 
   

图5 控制器结构框图

5 结论

通过以上的讨论，可以看出整个系统有如下特点：

1）构建系统本钱低廉，连接方便。
2）采用双INTEL 80C196KC微控器协同处理控制任务，功能更强，速度更快。
3）利用80C196KC同一编址方式方便实现组态程序下载，使控制更灵活，更可靠。
4）具有独立于CPU的WDT电路—MAX705，监视CPU的程序运行情况，同时还能处理控制器的电源波动。
　　
参考文献

[1] 谢剑英. 微型计算机控制技术. 北京：国防产业出版社， 1990.
[2] 王常力、罗安. 集散型控制系统选型与应用. 北京：清华大学出版社，1992.
[3] 孙涵芳. Intel 16位单片机. 北京航空航天大学出版社，1998.
[4] 郭谋发、王劭伯.RS-485网络的设计及其在产业监控系统中的应用. 福州大学学报，No.1 Vol.27 1999.
[5] RS-422 and RS-485 Application Note. B&B ELECTRONICS MANUFACTURING COMPANY, 1997.