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基于RS-485总线的智能变送器设计

作　者: 元江博
导　师: 马福昌
学　校: 太原理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 自动化仪器仪表与装置 智能变送器 C8051F021 水位监测 RS-485总线
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着全球气候变暖,环境问题日益突显,人们对水文等环境信息的监测也提出了愈来愈高的要求。这就要求用于现场检测的仪器仪表的功能更加完善,而现今迅速发展的总线技术给水位监测带来了新的发展方向。其中,RS-485总线由于其技术成熟、开发成本低,再加上它可以很方便地将不同厂家生产的具有该接口的仪器仪表或设备组成RS-485网络,进行集中监控。所以,在一些小型的监测系统中RS-485总线得到广泛地应用。本论文是对太原理工大学测控技术研究所自主设计研发的感应式数字水位传感器的改造和升级。原传感器是针对“山西省万家寨引黄入晋工程”专门设计的,虽然完全满足长隧洞、全封闭和长距离通信的要求,但在通用性上受到一定限制。为了使该传感器与其它系统更好地兼容,在查阅了大量相关的文献资料之后,根据现代仪器仪表的发展需求,并结合当今水文监测系统的国内外研究动态,提出了一套基于RS-485总线的智能变送器的设计方案。并对该变送器的相关硬件和软件进行了详细设计。本文主要研究内容包括：(1)分析研究了应用于检测技术与仪器仪表方面的常用通信技术及其原理,比较各自优缺点,并确立使用RS-485串行总线通信方式。(2)为了降低系统成本,并提高变送器的性能,本课题主控制选用CYGNAL公司推出的高速、高性能混合信号处理单片s机——C8051F021。该单片机拥有多达16路的ADC输入端口,所以能够同时采集16路模拟信号。另外,其高达25MIPS的运行速度完全可以满足系统实时性的需求。(3)为了防止系统断电或其他原因致使采集到的信息丢失,本课题扩展的外部存储器选择铁电存储器FM24C256。该存储器掉电数据可保存40年以上,并且低功耗的设计,使其在仪器仪表行业应用广泛。(4)对原传感器信号调理电路进行了改进。在硬件方面提供了多种低功耗处理方式和抗干扰处理措施,提高了系统的稳定性。(5)在研究了RS-485总线协议的基础上,设计了系统的软件部分,主要包括：ADCO采集程序,数据处理、存储及通信程序,均采用C51语言设计。通过实验和调试表明,该RS-485智能变送器改善了原水位传感器的部分性能。使传感器的输出信号数字化、标准化,能够更加方便地实现组网,所以增加了原传感器的适用范围。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 水位传感器现状  10-11
    1.2.2 水文信息通信网络现状  11
    1.2.3 智能仪器及数据采集系统的现状和发展  11-14
  1.3 课题研究主要内容及论文安排  14-17
第二章 总体方案设计  17-21
  2.1 功能需求分析  17
  2.2 系统整体构建  17-18
  2.3 系统模块化设计  18-19
    2.3.1 传感器模块  18
    2.3.2 变送器模块  18-19
    2.3.3 测试软件模块  19
  2.4 本章小结  19-21
第三章 智能变送器通信方式介绍  21-37
  3.1 引言  21
  3.2 数字通信技术及OSI七层参考模型概述  21-24
    3.2.1 OSI参考模型的结构  22
    3.2.2 OSI参考模型各层的功能  22-24
  3.3 现场总线通信技术  24-31
    3.3.1 现场总线的定义  24
    3.3.2 现场总线控制系统的结构特点  24-27
    3.3.3 常用现场总线技术举例  27-31
  3.4 串行总线通信  31-33
    3.4.1 RS-485接口规范  32-33
  3.5 RS-485智能变送器  33-35
  3.6 本章小结  35-37
第四章 智能变送器硬件设计方案  37-53
  4.1 主控芯片的选型及其硬件电路设计  38-41
    4.1.1 C8051Fⅹⅹⅹ系列单片机主要性能特点  39-40
    4.1.2 C8051F021单片机基本外围电路设计  40-41
  4.2 水位传感器电路  41-42
  4.3 信号调理电路  42-45
    4.3.1 信号调理电路原理分析  43-44
    4.3.2 信号调理电路具体设计  44-45
  4.4 外扩存储器电路设计  45-47
  4.5 RS-485接口电路  47-48
  4.6 系统电源电路设计  48-50
    4.6.1 用LM2576系列实现的12V和5V电源电路  48-49
    4.6.2 3V电源设计  49-50
  4.7 系统电源管理技术及低功耗方案设计  50-51
  4.8 RS-485/RS-232转换器  51
  4.9 本章小结  51-53
第五章 软件设计方案  53-73
  5.1 CYGNALIDE集成开发环境介绍  53-54
  5.2 主程序设计  54-55
  5.3 系统初始化程序设计  55-61
    5.3.1 系统时钟初始化设计  56-57
    5.3.2 I/O端口初始化配置  57-58
    5.3.3 串口UART初始化程序设计  58-60
    5.3.4 ADC0初始化设计  60
    5.3.5 SMBUS初始化程序  60-61
  5.4 ADC0水位数据采集程序设计  61-62
  5.5 通信程序设计  62-64
  5.6 存储器程序设计  64-71
    5.6.1 SMBUS协议介绍  64-68
    5.6.2 铁电存储器FM24C256读写操作介绍及程序设计  68-71
  5.7 智能变送器测试程序设计  71-72
  5.8 本章小结  72-73
第六章 智能变送器调试和设计心得  73-79
  6.1 智能变送器的调试  73-76
    6.1.1 感应式数字水位传感器调试  73
    6.1.2 信号调理电路调试  73-74
    6.1.3 ADC0模拟量采集调试  74-75
    6.1.4 RS-485接口电路调试  75
    6.1.5 RS-485通信调试  75-76
  6.2 系统设计中的一些心得  76-79
第七章 总结和展望  79-81
  7.1 总结  79-80
  7.2 展望  80-81
参考文献  81-83
致谢  83-85
攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果  85

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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