基于STM32单片机的RS485总线分布式数据采集系统设计_精品文档.pdf

1、工业通信 基于 S T M 3 2 单片机的 R S 4 8 5总线分布式数据采集系统设计 引言 在工业现场中传感器及数据 采集 单 元往 往是 分布在不同的地方，需要 利用现场总线技术将分布在 多处的传 感器采集的数据实时传输到一个 集中 的监 控 设 备，以便 以监 控 和管 理。RS 4 8 5、C AN、P r o f i b u s、Lo n Wo r k s、FF 等现场总线 中，RS 4 8 5总线以构造简 单、技 术成 熟、造价低廉、便于维护等 特点广泛应用于工业控制、仪器仪表、机 电一体 化产 品等诸多领域，实现远 程信 息 传 输。随 着 数 据 采 集 量 的 大 幅 增

2、加，以及对数据分析的实时性要求，高端的3 2 位单片机正逐渐进入工业和 日常 生活 的各个领域。本 文介 绍了一 种基于意法半导体(S T)公司S T M3 2 微 控 制器 和RS48 5总线 网络 的分 布式 数 据 采 集 系统。6 4 Se r v o Co n t r o l r 华中科技大学控制科学与工程系彭刚徐庆江张崇金王中南 摘要：本文介绍了一种基于意法半导体公司的S T M3 2 单片机g l R S 4 8 5 总线网络的 分布式数据采集系统的设计与实现。S T M3 2 芯片功能强大、接口丰富、价格相对低 廉，非常适合应用于工业数据采集领域。R S 4 8 5 总线以组网

3、简单、造价低廉、便于 维护等特点广泛应用于工业现场中的分布式数据采集系统和控制系统中。采用构造 简单、功麓强大的Mo d b u s 协议作为R S 4 8 5 总线网络的上层通讯协议，保证了系统运 行的稳定可靠。关键字：S T M3 2 单片机 分布式数据采集 R S 4 8 5 M o d b u s 协议 硬件设计 s T M3 2 单片机 STM3 2 单 片机 是S T公 司在 业界 最 先推出的基于A R M C o r t e xM3 内核 的，专为高性能、低成本、低功耗的嵌 入式应 用设计 的3 2 位微控制器。ARM C o r t e xM3 内核支持T h u mb 一2

4、 指令 集，具有更高的指令效率和更 强的性 能，能 完成单 周期 乘法和硬 件除 法。S TM 3 2 单片机带有众多高性能的外 设，内置大容量的F l a s h 和S R A M。具有 丰 富 的通信接 口，如 I I C、S PI、US 、C A N、U S B、以太网等。同时，还有 l 2 位 的A DC D D A C 模块，以及D MA 控制器，尤其适 用于高速、大容量 的分布式数 据采集系统。以S T M3 2 F 1 0 3 V C 为例，它 包含3 个1 2 位的A D C、1 2 通道的D MA 控 制器，及多达1 1 个定时器。还包含标准 和先进的】3 个通信接 口：多达

5、2 个I 2 C、3 个S PI、5 个US A R T、一个US B、一个 S DI O-个C A N|l l。S T M3 2 系列徽控 制器的工作频率为7 2 MH z，最新的F一 2 产品达到了1 2 0 MH z。S 1 M 3 2 系列微控 制器 的性能比市场上的8l 6 位单片 机 有了大幅提高，同时它的价格相对 传统的3 2 位A R M处理器和DS P却是低 廉的，这使得原本那些用8 位单片机不 能完成 的或者 以前必须用昂贵的DS P 来实现的处理都可以用S T M3 2 系列微 控 制 器 来 实 现。R S 4 8 5 总线 RS 4 8 5 总线以构造简单、技术成 熟

6、、造价低廉、便于维护等特点广泛应 用于工业现场中。R$4 8 5 总线采用平衡 发 送和差动接收方式实现通信，具有 很高 的通信 可靠性，同时使用一主带 多从 的通信 方式，最多可接2 5 6 个从设 备。RS4 8 5总线 的 电气 接 口具 有 两 种，一种 是 四 线 制 的 接 口，另 一 种 是 二 线 制 的接 口l 1 1，图 1 是 二 线 制 的RS48 5 总 线 拓 扑 图。从 图 中可 以 看 出 在 总线 的 两 端 跨 接 了 两 个 电 阻，这 两 个 电 阻 叫 做 终 端 电 阻。它 的 阻 值 必 须 与 电缆 特 性阻 抗相 匹配，一般 为 1 2 0欧。

7、终 端 电阻 是用 于消 除信 号 反射 带 来 的信号 失 真，短 距 低 速 时 可 在一 端 加，长 距 离 或 高速 时必须 两端 同时加。同时总线上 通 过 加 入 了总 线 偏 置 电 阻 分 别 上 拉 和 下拉 了一根信 号线和地线，使 总线在 空 闲 时处 于 稳 定 的 状 态。RS 4 8 5 总线的二条信号线形成一 对平 衡双绞线，可 以实现半双 工的通 信，即任 何时刻 总线 上只有一 个设备 处 于发 送数 据 的状 态。RS4 8 5 总线 传 输 速率最高可达到 l O Mb p S，最大距离为 l 3 0 0 1 1 1。为了保证通信的可靠性和传输 距离，传输

8、速率一般不要设置太高，传 输 电 缆 采 用 带 屏 蔽 的 多 芯 铜 双 绞 线。系统 由一 个主 设备 和 若干 从设 备 组 成。各个 从 设 备 通 过AD转 换 器 采 集 传 感器数据，然后通过R S 4 8 5 总线传送到 主 设 备；主 设 备 可 就 地 显 示 各 个 从 设 备采集的数据，也可通过 串口或U S B传 到上位机。所有主设 备和从设 备都采 用S T M3 2 Fl 0 3 芯片控制。其中，主设备 的硬 件 框 图如 图2所 示。从 设 备 相 比 主 设备做了简化，主要功能是利用S T M3 2 片 上 集 成AD转 换 器 采 集数 据，以及 串 口3

9、 进 行RS4 8 5 通 讯。RS 4 8 5 接 口电路主要由低功耗的 半 双工RS4 8 5 收发器MAX3 4 8 5 组 成，符 合RS 4 8 5 串行协议的电气规范，数据传 输 速率 可达 l 0 MbpS。它可 以使 S TM 3 2 单 片机 通过USART串 口方便 地 接 入到 RS 48 5总线 网络 中，电路如 图 3 所 示。其 中，P B1 O 和P B 1 1 引脚分别对应S T M3 2 单片机 US ART3 的发送 和接 收，PB1 3 f 1 PB 1 4用于 控制RS 48 5 数 据通 讯 的传 输 方 向。软件设计 RS4 8 5总线 只 是 定

10、义 网 络 的 物 理 层，对 网 络 的 上 层 并 没 有 规 定，可 以 根 据 实 际 工 程 的 需 要 来 定 义 上 层 的 协 议。本文 采 用在 工 业 中 广 泛 使 用 的 M O dbU S 协 议 来 进 行 主设 备 和 各 个从 设 备 之 间的 通 信。Mo d b u s t Y Mo d b u s 协 议具 体 的物理层没有规 定，可 以是R$2 3 2 也 可 以是 RS4 8 5或其 它。Mo d b u s 协 议按 主从 方 式 进 行 网 络 通信，即个 系 统 中只有一个主设 备，所 有 的 操 作 都 是 主设 备 发起。其 他从设备根据主设

11、 备查询 时提供 的数 1目 服 控 制 撕 囊 图 1二线制的 RS 4 8 5总线拓扑结构 图 2主设备硬件框 图 据信息 作 出相应 的 回应。主设 备可 以 单独 与每个从设 备通信，也 能以广播 方式 与所有从设 备通信。从机 和从机 之间无法通信。在Mo d b u s 协议 中，采用 主 机 查 询 和从 机 回复 的消 息 结 构。Mo d b u s 帧格式如图4 所示 3 1。地址码表明由用户设置地址 的 从 机 将 接 收 由主 机 发 送 来 的 消 息，每 个从机 都必须有 唯一的地址，并且只 有复合地址码的从机 才能相应 回送；查询消息中的功能码告知被选 中 的从

12、设 备 要执 行 何种 功能，Mo d buS 协 议 的功 能码 比较 多，包括公共 功能 码、用户定义功能码和保 留功能码等。在分 布式数 据采 集系统 中一般 只是使 用3号 功 能 码，用 来 读 取各 个 从 设 备 中 GND 图 3 R S4 8 5接 口电路 图 储 存AD转换 结果 的 数据；数据段包含 了从设备执行该功 能需要 的信息，这些信 息可 以是起始 地址、数据长度和具体数值；校验 域(CRC或 L RC)为主从 设 备提供了一种验证 消息 内容是否正确 的 方 法。在 从 设 备 的 回 应 消 息 中，功 能 码 是对查询 消息 中功能码 的回应，数据 段 包

13、含 从 设 备 收 集 的 数 据。如 果 有 错 误发 生，功 能码将指 出是 锚误回应消 息，同 时数 据 段 包 含 了描 述 此 错 误 信 息 的 代 码。M Odb u S 协 议 有ASCI I和RTU (R e mo t e T e r mi F l a l U n i t)两种传输 模式。AS C I I 模式传输的都是可见的 竺 !竺 l 竺 !竺!l 塑 垦!：!竺!I!竺 图 4 Mo d b u s帧格式 S e r v o Co n t r oI 65 一 工业通信 A S C I I 字符，R T U 传输的数据每一个字 节AS CI I 模式都要用两个字节来传输

14、，比如RTU传输一个十六进制数0 x A5，A S C I I 就需要传输 A 和 5 的AS CI I 码：0 x 41 和0 x3 5 两个字 节，这样 它 的传 输的效率就 比较低。如果所需要传输 的数据量较小可以考虑使用A SCI I 协 议，如果所需传输的数据量比较大，一 般采用R T U传输模式效率高，并使用 C RC 错误校验。在一个Mo d b u s 网络上 的所有设备，都必须选择相 同的传输 模式和 串口参数。系统采用 的传输波 特率都设为9 6 0 0 b p s。循环冗余码(C RC)包含两个字节。它由传输设备计 算后 加入到消息 中。接收设备重新计算收到消息的C R

15、C 码，并与接收到的C RC 域 中的值比较，如果 两值不同，则有误。C RC 码的计算方法 是：是 先预 置 一 个 全 为 1的 1 6位 寄 存 器，然后逐步对数据中的每8 位进行处 理。CRC码计算时只用每个字符中的 8 B i t 数据，起始位和停止位 以及奇偶 校验位均不参与计算。计算C RC 码的步 骤 为：步骤l：预置I 6 位寄存器为0 x F F F F (即全为1)，此寄存器为C R C 寄存器；步骤2：把第一个8 位数据与C R C 寄存器的低位相异或，结果放于C RC 寄 存器；步骤3：把寄存器的内容右移一 位，用0 填补最高位，检查最低位；步骤4：如果最低位为1：C

16、 RC 寄 存器与多项式A 0 0 1(1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1)进行异或，如果最低位为0：则不 进行：步骤5：重复步骤3 和4，直到右 移8 次，完成整个8 位数据的处理；步骤 6：重复 步骤 2到 步骤 5，进 行下一个8 位数据的处理；步骤7：最后得到的C RC 寄存器 值即为C RC 码。C RC 码值添加到消息中时，低字节 先加入，然后放 高字 节。下 面是获 得 6 6 S e r v o C o n t r o l r一 C RC 校验码的C 语言程序实现：UD Si gned s hor t Get CRCVal u e (c o n s t c h a r p S e n d B u f，i n t n E n d)U riSi g ne d s h o r t wCr c=0 xFFFF；I o r(i rit i=0；i ri E r i d；i+)w C r c =(L l n s i g n e d s h o r t )p Se n d B u f i】：f o r(i n t J=0；j =l；wCr c =0 xA0