如何基于RS485總線設(shè)計(jì)小型集散系統(tǒng)？

1.前言

集散控制系統(tǒng)是一種價(jià)格昂貴的自動(dòng)化控制裝置，國(guó)內(nèi)外集散系統(tǒng)制造公司，在生產(chǎn)大型集散系統(tǒng)的同時(shí)，都推出了同系列的小型集散系統(tǒng)，即使這樣，其價(jià)格對(duì)國(guó)內(nèi)小企業(yè)而言仍然偏高。我們從我國(guó)中小企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，以個(gè)人計(jì)算機(jī)做操縱站，通過RS-485總線與多臺(tái)DCS基本控制器組成了一種簡(jiǎn)易集散系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2.系統(tǒng)的組成及其框圖

整個(gè)系統(tǒng)包括一臺(tái)PC或者IPC作為操縱站用于組態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控，多個(gè)DCS基本控制器(最多32個(gè))負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，操縱站和基本控制器之間通訊采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。操縱站可選用帶有RS-485串行通訊接口工控機(jī)，或者選用一般PC機(jī)，但要在RS-232接口上增加一個(gè)RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器。我們采用Atronix的ADC-106接口轉(zhuǎn)換器可將RS-232C串行口的數(shù)據(jù)發(fā)送(TD)和數(shù)據(jù)接收(RD)信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩線平衡的半雙工RS-485信號(hào)。每個(gè)控制器也配有相應(yīng)的RS-485接口，我們采用MAXIM的MAX485收發(fā)器。

圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)通訊

3.1 通訊網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成

3.1.1 RS-485簡(jiǎn)介及系統(tǒng)連接圖

整個(gè)系統(tǒng)采用的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RS—485總線速度快(最大10MB/S),傳送間隔遠(yuǎn)(90KB/S下可傳1200米), 以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，答應(yīng)一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。因此產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中一般采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通訊網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)均帶有RS-485串行通訊接口。在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈、無(wú)毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)(120歐)。整個(gè)通訊系統(tǒng)具體連接如圖2。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)連接圖

3.1.2 ADC-106接口轉(zhuǎn)換器先容

該轉(zhuǎn)換器可直接插進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的DB9針RS-232C串口，并從其中的TXD、DTR、RTS信號(hào)供電、并且供電信號(hào)電平應(yīng)大于+5V、RS-485接口端通過自制DB9孔連接器連接。

3.1.3 MAX485收發(fā)器先容

基本控制器的網(wǎng)絡(luò)接口均采用了MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485。其控制十分簡(jiǎn)單，RE為接受控制端，DE為發(fā)送控制端。用 80C196KC的一個(gè)輸出口P1.0與兩個(gè)控制端相連，平時(shí)置P1.0為低，使控制器串口處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使P1.0為高。收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)連接，如圖3。

圖3 MAX485連接示意圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議

PC 與各下位機(jī)實(shí)行嚴(yán)格的廣播式的主從通訊方式。從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。從機(jī)之間通訊不能直接進(jìn)行，而必須由主機(jī)中轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)通訊波特率為9600b/s。每個(gè)控制器都有唯一的地址號(hào)，此地址號(hào)唯一區(qū)別各控制器。幀格式為8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。 數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，數(shù)據(jù)包格式如下：

PC(或 IPC)通過RS-485網(wǎng)絡(luò)廣播自己所要求的下位機(jī)地址，所有下位機(jī)都收聽廣播，記下廣播地址。各下位機(jī)把收到的地址與自己的地址進(jìn)行比較，地址相同的下位機(jī)為被選中的下位機(jī)，其余下位機(jī)皆為未選中的下位機(jī)，暫時(shí)從網(wǎng)絡(luò)上隔離。網(wǎng)絡(luò)上只剩下主機(jī)與選中的下位機(jī)，按主從式雙機(jī)的通訊過程進(jìn)行通訊。下位機(jī)通訊流程如下：

圖4 下位機(jī)通訊流程圖

4 基本控制器的設(shè)計(jì)及功能

基本控制器是控制的軟硬件核心，它設(shè)計(jì)的好壞將直接影響系統(tǒng)的可用性、實(shí)時(shí)性和可靠性。為滿足實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)處理量大的要求。選用intel公司的16位單片機(jī)80C196KC作為控制器的CPU。整個(gè)控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一個(gè)CPU主管數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制，一個(gè)CPU主管數(shù)據(jù)通訊，它們之間數(shù)據(jù)交換通過雙端口RAM(IDT7132)。整個(gè)控制用具有8路模擬量輸進(jìn)通道，6路模擬量輸出通道(其中兩路為PWM輸出)，16路開關(guān)量輸進(jìn)，16路開關(guān)量輸出，2個(gè)脈沖量輸進(jìn)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：

主控CPU主管數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)的處理，接受上位機(jī)發(fā)來(lái)的組態(tài)程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制。

由于采用了整個(gè)組態(tài)程序完全由上位機(jī)下傳至控制器的RAM中執(zhí)行的方式，使得控制非常靈活，主控CPU除了能進(jìn)行基本的控制之外，還能進(jìn)行先進(jìn)的控制算法。另外還具有在線調(diào)整控制參數(shù)功能、多種報(bào)警功能。

通訊CPU的功能主要有：

完成串并行數(shù)碼的互換。

2.用串行通訊方式發(fā)送本地信息，識(shí)別本地地址并接受通訊數(shù)據(jù)。

3.對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)加上檢驗(yàn)段，并檢查接收數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)段。

4.利用地址譯碼ROM把高速數(shù)據(jù)通道的目的地址和存儲(chǔ)器目的地址翻譯成對(duì)應(yīng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器地址。

5.通過向主CPU發(fā)出中斷，完成數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳送，并產(chǎn)生讀寫脈沖，地址和各數(shù)據(jù)位。

6.數(shù)據(jù)通道電平和內(nèi)部TTL電平的匹配。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)論

通過以上的討論，可以看出整個(gè)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1)構(gòu)建系統(tǒng)本錢低廉，連接方便。

2)采用雙INTEL 80C196KC微控器協(xié)同處理控制任務(wù)，功能更強(qiáng)，速度更快。

3)利用80C196KC同一編址方式方便實(shí)現(xiàn)組態(tài)程序下載，使控制更靈活，更可靠。

4)具有獨(dú)立于CPU的WDT電路—MAX705，監(jiān)視CPU的程序運(yùn)行情況，同時(shí)還能處理控制器的電源波動(dòng)。