上位机与下位机之间的连接.doc

1、1第 一 章 上 位 机 与 下 位 机1.1 上 位 机 与 下 位 机 的 概 念上 位 机 和 下 位 机 ， 一 般 是 指 集 中 控 制 系 统 中 的 PC 机 和 现 场 的 工 控 机 。 上 位 机（ PC 机 ） 主 要 用 来 发 出 操 作 指 令 和 显 示 结 果 数 据 ， 下 位 机 （ 工 控 机 ） 则 主 要 用 来 监 测和 执 行 上 位 机 的 操 作 指 令 。 举 个 例 子 ， 蓄 电 池 生 产 中 ， 需 要 按 工 艺 要 求 进 行 充 电 和 放 电 。现 场 有 许 多 工 位 ， 各 自 配 有 智 能 的 充 放 电 设 备

2、， 它 们 就 是 “下 位 机 ”。 整 个 车 间 有 一台 PC 机 来 集 中 管 理 ， 这 就 是 “上 位 机 ”。上 位 机 软 件 一 般 用 高 级 语 言 编 程 ， 如 BASIC、 C， 有 比 较 丰 富 的 图 形 界 面 。 下 位机 的 编 程 ， 依 所 用 的 MCU 而 异 ， 以 汇 编 为 主 。上 位 机 和 下 位 机 之 间 的 通 讯 ， 常 见 是 RS-232， RS-485， 当 然 还 有 很 多 ， 但 都 是串 行 方 式 。 特 别 是 “一 对 多 ”的 RS-485 用 得 最 普 遍 。上 位 机 是 指 ： 人 可 以

3、直 接 发 出 操 控 命 令 的 计 算 机 ， 一 般 是 PC， 屏 幕 上 显 示 各 种信 号 变 化 （ 液 压 ， 水 位 ， 温 度 等 ） 。 下 位 机 是 直 接 控 制 设 备 获 取 设 备 状 况 的 的 计 算 机 ，一 般 是 PLC/单 片 机 之 类 的 。 上 位 机 发 出 的 命 令 首 先 给 下 位 机 ， 下 位 机 再 根 据 此 命 令 解释 成 相 应 时 序 信 号 直 接 控 制 相 应 设 备 。 下 位 机 不 时 读 取 设 备 状 态 数 据 （ 一 般 模 拟 量 ） ，转 化 成 数 字 信 号 反 馈 给 上 位 机 。

4、简 言 之 如 此 ， 真 实 情 况 千 差 万 别 不 离 其 宗 。 上 下 位 机 都需 要 编 程 ， 都 有 专 门 的 开 发 系 统 。另 外 ， 上 位 机 和 下 位 机 是 通 过 通 讯 连 接 的 “物 理 ”层 次 不 同 的 计 算 机 ,是 相 对 而言 的 。 一 般 下 位 机 负 责 前 端 的 “测 量 、 控 制 ”等 处 理 ； 上 位 机 负 责 “管 理 ”处 理 。 下位 机 是 接 收 到 主 设 备 命 令 才 执 行 的 执 行 单 元 ， 即 从 设 备 ,但 是 ， 下 位 机 也 能 直 接 智 能化 处 理 测 控 执 行 ； 而

5、 上 位 机 不 参 与 具 体 的 控 制 ， 仅 仅 进 行 管 理 （ 数 据 的 储 存 、 显 示 、打 印 人 机 界 面 等 方 面 ） 。 常 见 的 DCS 系 统 ,“集 中 -分 散 （ 集 散 ） 系 统 ”是 上位 机 集 中 、 下 位 机 分 散 的 系 统 。 在 概 念 上 ,控 制 者 和 提 供 服 务 者 是 上 位 机 .被 控 制 者 和 被 服 务 者 是 下 位 机 .也 可 以理 解 为 主 机 和 从 机 的 关 系 .但 上 位 机 和 下 位 机 是 可 以 转 换 的 .两 机 如 何 通 讯 ， 一 般 取 决 于 下 位 机 。 T

6、CP/IP 一 般 是 支 持 的 。 但 是 下 位 机 一 般 具 有更 可 靠 的 独 有 通 讯 协 议 ， 购 买 下 位 机 时 ， 会 带 一 大 堆 手 册 光 盘 ， 告 诉 你 如 何 使 用 特 有 协议 通 讯 。 里 面 会 举 大 量 例 子 。 一 般 对 编 程 人 员 而 言 一 看 也 就 那 么 回 事 ， 使 用 一 些 新 的API 罢 了 。 多 语 言 支 持 功 能 模 块 ， 一 般 同 时 支 持 数 种 高 级 语 言 为 上 位 机 编 程 。上 位 机 是 指 ： 人 可 以 直 接 发 出 操 控 命 令 的 计 算 机 ， 一 般

7、是 PC， 屏 幕 上 显 示 各 种2信 号 变 化 （ 液 压 ， 水 位 ， 温 度 等 ） 。 下 位 机 是 直 接 控 制 设 备 获 取 设 备 状 况 的 的 计 算 机 ，一 般 是 PLC/单 片 机 之 类 的 。 上 位 机 发 出 的 命 令 首 先 给 下 位 机 ， 下 位 机 再 根 据 此 命 令 解释 成 相 应 时 序 信 号 直 接 控 制 相 应 设 备 。 下 位 机 不 时 读 取 设 备 状 态 数 据 （ 一 般 模 拟 量 ） ，转 化 成 数 字 信 号 反 馈 给 上 位 机 。 简 言 之 如 此 ， 真 实 情 况 千 差 万 别 不

8、 离 其 宗 。 上 下 位 机都 需 要 编 程 ， 都 有 专 门 的 开 发 系 统 .在 概 念 上 ， 控 制 者 和 提 供 服 务 者 是 上 位 机 ，被 控 制 者 和 被 服 务 者 是 下 位 机 ， 也 可 以 理 解 为 主 机 和 从 机 的 关 系 ， 但 上 位 机 和 下位 机 是 可 以 转 换 的 ， 两 机 如 何 通 讯 ， 一 般 取 决 于 下 位 机 。 TCP/IP 一 般 是 支 持 的 。 但是 下 位 机 一 般 具 有 更 可 靠 的 独 有 通 讯 协 议 ， 购 买 下 位 机 时 ， 会 带 一 大 堆 手 册 光 盘 ， 告 诉

9、你 如 何 使 用 特 有 协 议 通 讯 。 里 面 会 举 大 量 例 子 。 一 般 对 编 程 人 员 而 言 一 看 也 就 那 么 回 事 ，使 用 一 些 新 的 API 罢 了 。 多 语 言 支 持 功 能 模 块 ， 一 般 同 时 支 持 数 种 高 级 语 言 为 上 位 机编 程 。上位机一般为 PC机，而下位机一般为 MC机。31.2 RS-232 与 RS-485在数据通信，计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前，有 RS-232,RS-485,RS-422 几种接口标准用于串行通信。RS-232 是最早的串行接口标准，在短

10、距离（15M），较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。R S-232 是 美 国 电 子 工 业 协 会 （ 895） 正 式 公 布 的 串 行 总 线 标 准 ， 用 来 实 现 计 算 机 与 计 算 机 、计 算 机 与 外 设 之 间 的 数 据 通 讯 ， 在 异 步 串 行 通 讯 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 它 适 合 于 距 离 不太 远 或 者 带 调 制 解 调 器 的 场 合 。 其后针对 RS-232 接口标准的通信距离短，波特率比较低的状况，在 RS-232 接口标准的基础上又提出了 RS-422 接口标准，RS-485 接口标准来克服这些缺陷。下面详细

11、介绍 RS-232,RS-422,RS-485 接口标准。RS-232 串口标准是种在低速率串行通讯种增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即单端通讯。其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以其共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为 15M，最高速率为 20KBPS，且其只能支持点对点通信。针 对 RS-232 串 口 标 准 的 局 限 性 ， 人 们 又 提 出 了 RS-422,RS-485 接 口 标 准 。 RS-485/422 采 用 平 衡 发 送 和 差 分 接 收 方 式 实 现 通 信 ： 发 送 端 将 串 行 口 的 TTL 电

12、 平 信 号 转换 成 差 分 信 号 A,B 两 路 输 出 ， 经 过 线 缆 传 输 之 后 在 接 收 端 将 差 分 信 号 还 原 成 TTL 电平 信 号 。 由 于 传 输 线 通 常 使 用 双 绞 线 ， 又 是 差 分 传 输 ， 所 以 又 极 强 的 抗 共 模 干 扰 的 能 力 ，总 线 收 发 器 灵 敏 度 很 高 ， 可 以 检 测 到 低 至 200mV 电 压 。 故 传 输 信 号 在 千 米 之 外 都 是 可以 恢 复 。 RS-485/422 最 大 的 通 信 距 离 约 为 1219M， 最 大 传 输 速 率 为 10Mb/S， 传 输 速

13、率 与 传 输 距 离 成 反 比 ， 在 100Kb/S 的 传 输 速 率 下 ， 才 可 以 达 到 最 大 的 通 信 距 离 ， 如 果需 传 输 更 长 的 距 离 ， 需 要 加 485 中 继 器 。 RS-485 采 用 半 双 工 工 作 方 式 ， 支 持 多 点 数 据通 信 。 RS-485 总 线 网 络 拓 扑 一 般 采 用 终 端 匹 配 的 总 线 型 结 构 。 即 采 用 一 条 总 线 将 各 个节 点 串 接 起 来 ， 不 支 持 环 形 或 星 型 网 络 。 如 果 需 要 使 用 星 型 结 构 ， 就 必 须 使 用 485中 继 器 或

14、者 485 集 线 器 才 可 以 。 RS-485/422 总 线 一 般 最 大 支 持 32 个 节 点 ， 如 果 使 用特 制 的 485 芯 片 ， 可 以 达 到 128 个 或 者 256 个 节 点 ， 最 大 的 可 以 支 持 到 400 个 节 点 。1.2.1 485 总 线 布 线 规 范 及 调 试 41）485 信号线可以和强电电源线一同走线。在实际施工当中，由于走线都是通过管线走的，施工方有的时候为了图方便，直接将 485 信号线和电源线绑在一起，由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，从而导致 485 信号不稳定，导致通信不稳定。2）485 信号线可以使用

15、平行线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线。由于 485 信号是利用差模传输的，即由 485+与 485-的电压差来作为信号传输。如果外部有一个干扰源对其进行干扰，使用双绞线进行 485 信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于 485+，485-的干扰效果都是一样的，那电压差依然是不变的，对于 485 信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话，外部干扰源对于其的干扰影响也可以尽可能的缩小。3） 选 择 使 用 普 通 的 超 五 类 屏 蔽 双 绞 线 即 网 线 就 可 以 。4）485 布线可以任意布设成星型接线与树形接线。485 布线规范是必须要手牵手的布线，一旦没有

16、借助 485 集线器和 485 中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方在 485 布线过程中，使用了星型接线和树形接线，有的时候整个系统非常稳定，但是有的时候则总是出现问题，又很难查找原因，一般都是由于不规范布线所引起的。5）485 总线必须要接地。在很多技术文档中，都提到 485 总线必须要接地，但是没有详细的提出如何接地。严格的说，485 总线必须要单点可靠接地。单点就是整个 485 总线上只能是有一个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线（一般都是屏蔽线作地线）上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。可靠接地时整个485

17、线路的地线必须要有良好的接触，从而保证电压一致，因为在实际施工中，为了接线方便，将线剪成多段再连接，但是没有将屏蔽线作良好的连接，从而使得其地线分成了多段，电压不能保持一致，导致共模干扰。51.3 上 位 机 与 下 位 机 的 连 接由 于 我 们 是 要 设 计 远 距 离 的 并 基 于 485 总 线 的 灌 溉 系 统 监 控 .然 而 ,pc 机 与 mc 机 都 一般 与 RS-232 连 接 ， 所 以 我 们 要 用 到 RS-485 进 行 转 化 。 总 的 设 计 图 如 下 ：上位机 RS-232RS-485RS-485RS-232下位机（ 上 位 机 与 下 位 机

18、 的 连 接 简 图 ）6RS-232 与 RS-485 串 行 接 口 的 硬 件 电 路 如 下 ：硬件电路在硬件上，需要设计一个符合R S-232通讯标准的驱动电路来实现与PC 机的接口，此电路中，与PC机接口的芯片为MAX232（也可以使用其它相兼容的芯片如ICL232、TC232、AD232等）。MAX232功耗低，集成度高，且芯片内部具有升压电路和极性转换电路，在单5V 供电条件下，即可实现TTL电平与R S-232电平的相互转换，还省了12V电源。此电路中电源VCC由计算机串口提供，当R S-232串口7脚电压升高时，通过二极管给C5(迅速充电，稳压管W1用于使电压范围稳定在5V

19、 左右。RS-485接口芯片很多，它们可以很方便地实现R S-485串行通讯接口，这些芯片除了一些附加功能不一样外（如抗雷击、低功耗等），其主要的收发功能和电路构成基本一致，本方7案选用了性能较好的接口芯片MAX485。MAX485为8个管脚，DIP封装，1脚RO为数据接收端，2脚RE为数据接收允许端，低电平有效； 3脚DE为数据发送允许端，高电平有效；4脚DI为数据发送端；6、7脚为电流环回路端；它把一个三态差分线路驱动器和一个差分线路接收器组合在一起，并共用A 、B两根总线。它的传输方向由DE和RE所控制，当DE=1时，驱动器优先，可进行数据发送，此时接收器呈高阻状态；而当RE=0时接收器优先，可进行数据接收，此时驱动器程高阻状态。8