采用串口通信的温度测控系统设计

前言：在集散控制系统中，实现被测控对象到计算机之间的通信是很关键的部分。计算机与外部设备进行通信可以用不同接口来实现，常用的是串行接口，网络适配器和并行接口。其中串行接口通信技术已经很成熟，该温度测控系统的设计在考虑实用，便利和成本的基础上也选择了串口来实现现场温度数据到上位计算机的传送，并通过串行接口实现对智能仪表的参数设置。在系统设计中我们还用到了7520智能通信模块，并对其进行了简要技术说明。本文将从总体上介绍温度测控系统的设计，重点研究讨论了串口通信的原理，使用过程中如何用C++ builder编程语言实现对LU-902M位式调节仪表数据的读写。 一、系统需求分析、概述、构架及模块要求 1．系统需求分析 　　温度测控系统的设计是在以前一小型集散控制系统的基础上新增的一个独立的温度测控系统，整个系统应用于微生物反应的智能控制中，系统上层由通用计算机作集中管理，下层为现场测控系统，由各专用计算机（指pH仪、DO仪、变频器、温控仪等）及相应传感器和执行部件等组成，下层对单个微生物反应器进行全功能控制，上层计算机对多个微生物反应器进行监控。当下层正常运行时，对其控量进行相关修正。当下层某专用计算机或传感器出故障时，上层根据室温及其他正常参数，直接控制相应执行部件工作并做出语音提示及灯光报警。上层计算机系统要对溶氧、pH值、温度进行监控并分析做出相应的输出反应，各种仪器可能存在长期使用而损坏原因，所以采用冗余技术来提高系统运行的可靠性，从而安全可靠的提供微生物良好的生长环境。上层软件系统还应对各种采样的参数进行实显示、储存并打印种各数据、图形和曲线以便管理者进行参考改善生产水平。 　　由于实际生产需要，在原集散控制系统上新增四个水箱和四个罐（水箱通过水流量控制进行温度调节、4M^3罐是也是实际生产需要），温度测控系统要能对连接于这四个水箱和四个罐的八个温度仪表进行数据采样，以及对仪表参数进行设置，它是小型集散系统的一部分。分别进行温度的测控。具体来讲，温度测控系统应完成以下功能： （1）智能仪表的各种参数。 （2）置智能仪表的各种参数。 （3）智能仪表的测量数据进行采集，并能实时、直观的显示。 （4）据用户报警参数的设置，能分析数据并提供相应的越上下限报警和进行相应的输出控制。 （5）置数据的采样周期和报警周期。 2、系统结构分析 　　在实际使用中，我们采用pt100温度传感器，安东LU-902M智能仪表，和7520专用通信模块共同构建硬件系统。安东仪表是一种智能仪表，能够通过对表参数设置连接pt100，仪表自带RS-485接口上接计算机，由于计算机没有RS-485通信口，所以中间通过7520，7520是一种RS-232与RS-485的智能转换模块，这样即可以满足仪表数据到计算机的通信，又可以进行远距离的传输。在了解了系统功能规范和确定了系统与外界的“接口”关系及形式后和系统硬件的功能，我们可以得到以下系统结构图-（1）： 3、模块要求及性能分析 3.1安东LU-902M智能仪表简介： 　　LU-902M位式调节仪通过采用模块化结构、EMI抑制等多种技术进一步提高仪表的抗干扰能力及整体性能。 　　LU-902M位式调节仪同时适配各种热电偶、热电阻、标准电流及标准电压输入信号。仪表具有光电隔离的主继电器输出及报警继电器输出，具有二位式、三位式控制方式。报警可任意设定为上限报警、下限报警、正偏差报警或无报警，在温度控制场合，报警输出常用来作为辅助致冷输出。 　　LU-902M位式调节仪采用WATCHDOG电路，软件采用了冗余、陷阱、数字滤波等技术。整机具有很高的可靠性，可工作于恶劣的环境。 3.2 模块7520功能简介： 7520模块主要是完成RS-232信号转485信号，技术参数表-1： 4、开发工具选择及目标： 　　本系统软件基于Mricrosoft windows 2000中文操作平台，采用集成开发工具C++builder 6.0开发。系统软件开发致达到以下目标： （1）运行高效，能很好的满足用户所需要的服务。 （2）界面友好，便于用户操作。 （3）软件容易维护，修改。 二、基本通信原理及功能的实现 　　计算机和外部设备进行通信常通过串口和并口两种方式，串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相距不远的人－机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各CPU之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作。 　　由于计算机是通过串口（9针串口，RS-232协议）接7520模块与安东LU-902M位式调节仪进行连接，而7520无需编程实现，是智能转换模块，可以实现双向传输自动转换。故此，我们只需要知道计算机串口工作原理和LU-902M的通信协议问题就解决了。在实现系统软件时，只要遵守LU-902M调节仪的通讯协议，然后对串口（RS-232协议）进行相应的数据格式，握手信号等串口设置以满足通信双方要求来实现数据的通信功能，同时也可对LU-902M进行设置，原则就是双方协议一致。 2.1、串行通信的概念 　　所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。如图1-1所示。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。 　　由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的结构如1-2所示。图1-(3) 　　在数据输入过程中，数据1位1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即D7~D0同时被读至累加器中）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。 　　在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1位1位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。 　　接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。 　　“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。 　　串口可以设置为异步方式通信，也可设置为同步方式通信。异步通信时，发送者和接收者之间不需要合作。也就是说发送者可以在任何时候发送数据，只要被发送的数据已经是可以发送的状态的话。接收者只要数据到达，就可以接受数据。通信双方以起始位开始。 同步通信则要求通信双方按照一定的速度进行，通信双方按统一时间频率进行工作，通信以同步字符开始。 　　异步通信比较适合不经常有大量数据据传送的设备。RS-232口就是采用异步通信方式。对于一次串口通信，一般要设置波特率，数据位（5-8位），停止位（1、1.5、2位）。 2.2 LU-902M位式调节仪通讯协议： （1）通讯规程 　　LU-902M采用串行异步通讯，有RS-232C、422A或485通讯接口，本次采用的是RS-232C接口。波特率为1200、2400、4800和9600四档任选。1个起始位（第0位），8个数据位（1-8位），1个寻址/数据判别位（第9位），1个停止位，共11位，数据采用16进制。 （2）数据形式 　　数据采用两字节的补码表示。参数中有的带小数点一位，有点则不带，在交与用户使用时，数据需要通过编程方法实现转换。 （3）命令格式 在每一次通讯指令中，仪表最后会返回信息 4FH 4BH(OK) 表示通讯成功 3FH 3FH(??) 表示通讯失败 （4）通讯指令 　　当上位机要对LU-902M仪表进行通讯操作时，应先对仪表发寻址指令，寻址成功，再发读或写指令，寻址指令为单字节指令。第1-8位为地址，第9位为“1”（用检验位实现）。仪表对寻址指令与本机进行比较，若是本机寻址则开启通讯功能，对于处于通讯中的仪表，若收到非本机地址的寻址地址，则关闭通讯功能。处在通讯功能中的仪表，若收到非寻址指令，则接受命令反回相应的数据，并在最后返回OK字符，若失败则仅返回??字符。 三、软件系统设计 3.1功能模块的划分 3.2实现关键部分： 　　用C++builder具体实现串口的通信，必须掌握C++builder中对串口操作的方法，每种语言都提供了对串口读写操作，方法一般各有不同，在C++builder中有以下几种方法可选择： 3.2.1 以文件方式打开串口: 　　这里使用的是Win32 API 函数,（在VC下也有这种实现方式）. 具体的函数的意义可以参考Win32 API 的帮助.这里有一个易于