第2章 工業(yè)控制計算機

1、第二章 工業(yè)控制計算機 計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛，控制計算機是計算機控制系統(tǒng)的主要組成部分，因而如何依據(jù)不同的需求選擇合適的控制計算機是實現(xiàn)計算機控制的基礎(chǔ)。本章主要從以下四部分介紹工業(yè)控制計算機的結(jié)構(gòu)、特點、選擇和有關(guān)的總線技術(shù)： 2.1、控制計算機的主要類型； 2.2、IPC工控機的組成與特點； 2.3、IPC總線結(jié)構(gòu)； 2.4、MODBUS通信協(xié)議。2.1 控制計算機的主要類型 目前計算機控制系統(tǒng)中控制器的種類主要有：可編程控目前計算機控制系統(tǒng)中控制器的種類主要有：可編程控制器、可編程調(diào)節(jié)器、總線式工控機、單片微型計算機、嵌制器、可編程調(diào)節(jié)器、總線式工控機、單片微型計算機、

2、嵌入式系統(tǒng)、入式系統(tǒng)、DSPDSP、ARMARM及其他控制裝置。及其他控制裝置。1.1.可編程控制器（可編程控制器（PLCPLC） 可編程控制器，是計算機技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)可編程控制器，是計算機技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計算機。它主要由為一種高性能的工業(yè)控制計算機。它主要由CPUCPU、存儲器、輸、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。它有以下特點：入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。它有以下特點：是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)是一種數(shù)字運算操作的電子

3、系統(tǒng), ,專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)定；專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)定；采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛-不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢，而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也有優(yōu)勢，而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色；系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，編程簡單，調(diào)試容易，毫不遜色；系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容易，編程簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力強。外

4、觀如圖抗干擾能力強。外觀如圖2-12-1所示。所示。 2. 可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器 可編程調(diào)節(jié)器又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)可編程調(diào)節(jié)器又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器，主要由微處理單元、過程器，主要由微處理單元、過程IO（輸入（輸入/輸出）輸出） 單元、面板單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖2-2所示。所示。圖2-1 可編程控制器圖2-2 可編程調(diào)節(jié)器3.總線式工控機總線式工控機 總線式工控機，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工總線式工控機，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制

5、的通用性計算機，一般稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工業(yè)業(yè)控制的通用性計算機，一般稱為工業(yè)控制計算機，簡稱為工業(yè)控制機或工控機控制機或工控機IPC（Industrial Personal Computer）。）。 總線式工控機具有小型化、總線式工控機具有小型化、模板化、組合化、標準化的設(shè)模板化、組合化、標準化的設(shè)計特點，能滿足不同層次、不計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行。劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。路的中

6、等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。圖圖2-3 總線式工控機總線式工控機4. 單片微型計算機單片微型計算機 單片微型計算機單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)簡稱單片簡稱單片機，它是將機，它是將CPU、存儲器、串并行、存儲器、串并行I/O口、定時口、定時/計數(shù)器、甚計數(shù)器、甚至至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有相當控制功能的微控制器。相當控制功能的微控制器。 5. 嵌入式處理器嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)是將專用微型計

7、算機嵌入被控設(shè)備中的專用計嵌入式系統(tǒng)是將專用微型計算機嵌入被控設(shè)備中的專用計算機系統(tǒng)，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對體積、功能、可靠性、成本、算機系統(tǒng)，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對體積、功能、可靠性、成本、功耗等綜合性能要求嚴格的場合。嵌入式處理器的特點：功耗等綜合性能要求嚴格的場合。嵌入式處理器的特點： 1）對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且）對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部代碼和實時操作系統(tǒng)的有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度。執(zhí)行時間減少到最低限度。 2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。）具有功能很強的存儲區(qū)保護功

8、能。 3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)。）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)。 4）嵌入式微處理器的功耗很低。）嵌入式微處理器的功耗很低。 6. 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（Micro-controller Unit，簡稱，簡稱MCU）一般）一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集成了部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)計數(shù)器、看門狗、器、看門狗、I/O口、串行口、脈寬調(diào)制輸出、口、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各種必要功

9、能部件和外設(shè)。等各種必要功能部件和外設(shè)。7. 數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器DSP 數(shù)字信號處理技術(shù)是當今的一個熱門領(lǐng)域，世界上各大半導(dǎo)數(shù)字信號處理技術(shù)是當今的一個熱門領(lǐng)域，世界上各大半導(dǎo)體公司紛紛推出適用于不同場合的體公司紛紛推出適用于不同場合的DSP芯片。在控制領(lǐng)域，比芯片。在控制領(lǐng)域，比較有代表性的是較有代表性的是TI公司的公司的 TMS320F240 x系列。系列。8. ARM處理器處理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公），既可以認為是一個公司的名稱，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為司的名稱，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以

10、認為是一種技術(shù)的名詞。是一種技術(shù)的名詞。 2.2 IPC工控機的組成與特點 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機,簡稱工控機簡稱工控機,也稱為工業(yè)計算機也稱為工業(yè)計算機IPC 。 （Industrial Personal Computer）。它主要用于工業(yè)過程）。它主要用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。以工控機為核心的測量和測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。以工控機為核心的測量和控制系統(tǒng)，處理來自工業(yè)系統(tǒng)的輸入信號，再根據(jù)控制要控制系統(tǒng)，處理來自工業(yè)系統(tǒng)的輸入信號，再根據(jù)控制要求將處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)，去控制生產(chǎn)過程，同時對求將處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)，去控制生產(chǎn)過程，同時對生產(chǎn)進行監(jiān)督和管理。生產(chǎn)進

11、行監(jiān)督和管理。 主要內(nèi)容有以下四部分主要內(nèi)容有以下四部分: 1.工控機硬件組成工控機硬件組成 2.工控機的軟件組成工控機的軟件組成 3.工控機的特點工控機的特點 4.IPC工控機的發(fā)展方向工控機的發(fā)展方向2.2.1 IPC工控機硬件組成 硬件硬件:主機板（主機板（CPU、內(nèi)存儲器）、系統(tǒng)總線、過程輸入、內(nèi)存儲器）、系統(tǒng)總線、過程輸入輸出通道、人機接口、通信設(shè)備、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)。輸出通道、人機接口、通信設(shè)備、系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)。2.2.1 IPC工控機硬件組成工控機硬件組成圖圖2-4 工控機硬件組成結(jié)構(gòu)圖工控機硬件組成結(jié)構(gòu)圖1. 主機板主機板 是工業(yè)控制機的核心，由中央處理器（是工業(yè)控制

12、機的核心，由中央處理器（CPU）、存儲器）、存儲器（RAM、ROM）和）和I/O接口等部件組成。主機板的作用是將采接口等部件組成。主機板的作用是將采集到的實時信息按照預(yù)定程序進行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷、集到的實時信息按照預(yù)定程序進行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理，及時選擇控制策略并將結(jié)果輸出到工業(yè)過程數(shù)據(jù)處理，及時選擇控制策略并將結(jié)果輸出到工業(yè)過程 。2. 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線可分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是工控機內(nèi)部系統(tǒng)總線可分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是工控機內(nèi)部各組成部分之間進行信息傳送的公共通道，是一組信號線的集合。各組成部分之間進行信息傳送的公共通道，是一組信號線

13、的集合。常用的內(nèi)部總線有常用的內(nèi)部總線有IBM PC總線和總線和STD總線。外部總線是工控機與總線。外部總線是工控機與其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道，常用外部總線其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道，常用外部總線有有RS-232C、RS485和和IEEE-488通信總線。通信總線。 3. 人人-機接口機接口 人人-機接口包括顯示器、鍵盤、打印機以及專用操作顯示臺等。機接口包括顯示器、鍵盤、打印機以及專用操作顯示臺等。通過人通過人-機接口設(shè)備，操作員與計算機之間可以進行信息交換。機接口設(shè)備，操作員與計算機之間可以進行信息交換。 5. 輸入輸入/輸出模板輸出模板 輸入輸入/輸出模

14、板是工控機和生產(chǎn)過程之間進行信號傳遞和變換輸出模板是工控機和生產(chǎn)過程之間進行信號傳遞和變換的連接通道。包括模擬量輸入通道（的連接通道。包括模擬量輸入通道（AI）、模擬量輸出通道）、模擬量輸出通道（AO）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道（）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道（DI）、數(shù)字量（開關(guān)）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道（量）輸出通道（DO）。）。 6. 系統(tǒng)支持系統(tǒng)支持系統(tǒng)支持功能主要包括：系統(tǒng)支持功能主要包括： 監(jiān)控定時器：俗稱監(jiān)控定時器：俗稱“看門狗看門狗”（Watchdog）。）。 電源掉電監(jiān)測：電源掉電監(jiān)測： 后備存儲器：后備存儲器： 實時日歷時鐘實時日歷時鐘7. 磁盤系統(tǒng)磁盤系統(tǒng)半導(dǎo)體虛擬磁盤，

15、軟盤半導(dǎo)體虛擬磁盤，軟盤,硬盤或硬盤或USB磁盤。磁盤。 通信接口是工業(yè)控制機與其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳通信接口是工業(yè)控制機與其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的通道。送的通道。4. 通信接口通信接口2.2.2 IPC工控機的軟件組成 軟件是工業(yè)控制機的程序系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)軟件、支持軟件、軟件是工業(yè)控制機的程序系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件三部分。應(yīng)用軟件三部分。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件: 系統(tǒng)軟件用來管理系統(tǒng)軟件用來管理IPC的資源，并以簡便的形式向用戶提供的資源，并以簡便的形式向用戶提供服務(wù)。服務(wù)。2.工具軟件工具軟件: 工具軟件是技術(shù)人員從事軟件開發(fā)工作的輔助軟件，包括匯工具軟

16、件是技術(shù)人員從事軟件開發(fā)工作的輔助軟件，包括匯編語言、高級語言、編譯編語言、高級語言、編譯 程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。程序等。3.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件: 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。通常包括過程輸入輸出程序、過程控制程序、人管理程序。通常包括過程輸入輸出程序、過程控制程序、人-機機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。2.2.3 IPC工控機的特點IPC工控機主要有以下六個特點：工控機主要有以下六個特點： 1.可靠性高可靠性高 2.

17、豐富的輸入輸出模板豐富的輸入輸出模板 3. 實時性好實時性好 4. 開放性好開放性好 5. 連續(xù)工作時間長連續(xù)工作時間長 6. 便于安裝便于安裝2.3 IPC總線結(jié)構(gòu)2.3.1 總線概述總線概述1. 總線標準實際上是一種接口信號的標準和協(xié)議?？偩€標準實際上是一種接口信號的標準和協(xié)議。2. 總線定義與分類總線定義與分類: 總線是一組信號線的集合，它定義了引線的信號、電氣、機總線是一組信號線的集合，它定義了引線的信號、電氣、機械特性，是微機系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間、不同的計算機之間械特性，是微機系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間、不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進行信息傳送的通道。建立信號聯(lián)系，進行信息傳送的通道

18、。 總線總線:內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線）和外部總線（通信總線）。內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線）和外部總線（通信總線）。3. 總線按功能或信號類型劃分，主要有三類總線：數(shù)據(jù)總線、總線按功能或信號類型劃分，主要有三類總線：數(shù)據(jù)總線、地址總地址總 線、控制總線。線、控制總線。4. 總線主要有數(shù)據(jù)傳輸、中斷、多主設(shè)備支持、錯誤處理等功總線主要有數(shù)據(jù)傳輸、中斷、多主設(shè)備支持、錯誤處理等功能能 。2.3.2 內(nèi)部總線 內(nèi)部總線是指微機內(nèi)部各功能模塊間進行通信的總線，也內(nèi)部總線是指微機內(nèi)部各功能模塊間進行通信的總線，也稱為系統(tǒng)總線。它是構(gòu)成完整微機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。稱為系統(tǒng)總線。它是構(gòu)成完整微機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。 常用

19、的內(nèi)部總線主要有常用的內(nèi)部總線主要有STD總線、總線、VME總線、總線、ISA總線和總線和PCI總線?？偩€。1STD總線總線 1）、總線標準）、總線標準 STD總線即總線即Standard Bus，是一種規(guī)模最小，面向工業(yè)控制，是一種規(guī)模最小，面向工業(yè)控制，設(shè)計周密的設(shè)計周密的8位系統(tǒng)總線。位系統(tǒng)總線。2VME總線（1）VME總線，總線，Versamodel Eurocard由由Motorola公司公司1981年推年推出的第一代出的第一代32位工業(yè)開放標準總線，其主要特點是位工業(yè)開放標準總線，其主要特點是VME總線的總線的信號線模仿信號線模仿Motorola公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的 68000系列

20、單片機信號線，由于系列單片機信號線，由于其應(yīng)用的廣泛性被其應(yīng)用的廣泛性被IEEE收為標準，即收為標準，即IEEE1014-1987,其標準文其標準文件為件為VMEbus specification Rev C.1。（2）VME總線的插板一般有兩種尺寸，一種是總線的插板一般有兩種尺寸，一種是3U高度的帶一個高度的帶一個總線接口總線接口J1， 高高長為長為100mm*160mm，另一種是，另一種是6U高度的帶高度的帶2個總線接口個總線接口J1、J2，高，高長為長為233mm 160mm。（3）一般每塊）一般每塊VME總線的插板上的接口總線的插板上的接口J1、J2都有都有96針，每一針，每一個接口都

21、是個接口都是3排，按排，按A、B、C排列，每排排列，每排32針，針，J1一般用于直接一般用于直接與與VME總線相連，總線相連，J2的中間列的中間列 用于擴展地址總線或數(shù)據(jù)總線，用于擴展地址總線或數(shù)據(jù)總線，另外兩列可由用戶定義及另外兩列可由用戶定義及I/O、磁盤驅(qū)動及其他外設(shè)等。因此、磁盤驅(qū)動及其他外設(shè)等。因此VME總線已對未來的應(yīng)用擴展預(yù)留了信號針，這也是總線已對未來的應(yīng)用擴展預(yù)留了信號針，這也是VME總線總線將來可以靈活升級的原因。將來可以靈活升級的原因。3ISA總線 ISA總線總線(Industrial Standard Architecture)即即AT總線，它總線，它是在是在8位的位的

22、XT總線基礎(chǔ)上擴展而成的總線基礎(chǔ)上擴展而成的16位的總線體系結(jié)構(gòu)。位的總線體系結(jié)構(gòu)。后來，在大多數(shù)后來，在大多數(shù)Pentium系列的系列的PC機主板上仍保留機主板上仍保留34個個ISA總線擴充槽，即可以插入總線擴充槽，即可以插入8位位ISA卡，又可以插入卡，又可以插入16位位ISA卡?？?。 ISA總線插槽有一長一短兩總線插槽有一長一短兩個插口，長插口有個插口，長插口有62個引腳，個引腳，以以A31A1和和B31B1表示，表示，分別列于插槽的兩面；短插口分別列于插槽的兩面；短插口有有36個引腳，以個引腳，以C18C1和和D18D1表示，也分別列于插表示，也分別列于插槽的兩面。槽的兩面。ISA總線

23、插槽如圖總線插槽如圖所示。所示。ISA總線插槽總線插槽4PCI總線 PCI總線（總線（Peripheral Component Interconnect，外圍部件互，外圍部件互連總線）具有先進的結(jié)構(gòu)特性及其優(yōu)異的性能，是現(xiàn)代微機系統(tǒng)連總線）具有先進的結(jié)構(gòu)特性及其優(yōu)異的性能，是現(xiàn)代微機系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)中的佼佼者，并被多數(shù)現(xiàn)代高性能微機系統(tǒng)所廣泛采用?？偩€結(jié)構(gòu)中的佼佼者，并被多數(shù)現(xiàn)代高性能微機系統(tǒng)所廣泛采用。 （1）PCI總線的主要特點：總線的主要特點： 1）傳輸率高；）傳輸率高； 2）采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了總線引腳數(shù)；）采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了總線引腳數(shù)； 3）總線支持無限猝發(fā)

24、讀寫方式和并行工作方式；）總線支持無限猝發(fā)讀寫方式和并行工作方式； 4）總線寬度為）總線寬度為32位（位（5V），可升級為），可升級為64位（位（3.3V）；）； 5）PCI總線與總線與CPU異步工作：異步工作：PCI總線的工作頻率固定為總線的工作頻率固定為33 MHz，與，與CPU的工作的工作 頻率無關(guān)，使頻率無關(guān)，使PCI總線不受處理器的限制；總線不受處理器的限制； 6）提供了即插即用功能，允許）提供了即插即用功能，允許PCI局部總線擴展卡和元件進局部總線擴展卡和元件進行自動配置。行自動配置。 （2）PCI總線的功能特性總線的功能特性 ： 連接到連接到PCI總線上的設(shè)備分為兩類：主控設(shè)備（

25、總線上的設(shè)備分為兩類：主控設(shè)備（Master）和）和目標設(shè)備（目標設(shè)備（Target）。）。PCI支持多主控設(shè)備，主控設(shè)備可以控制支持多主控設(shè)備，主控設(shè)備可以控制總線、驅(qū)動地址、數(shù)據(jù)及控制信號；目標設(shè)備不能啟動總線操總線、驅(qū)動地址、數(shù)據(jù)及控制信號；目標設(shè)備不能啟動總線操作，只能依賴于主控設(shè)備向它進行傳遞或從中讀取數(shù)據(jù)作，只能依賴于主控設(shè)備向它進行傳遞或從中讀取數(shù)據(jù) （3）PCI總線引腳信號定義，如圖總線引腳信號定義，如圖2-9所示。所示。圖圖2-9 PCI總線引腳總線引腳 2.3.3 外部總線外部總線 外部總線是指用于計算機與計算機之間或計算機與其它智能外部總線是指用于計算機與計算機之間或計算

26、機與其它智能外設(shè)之間的通信線路。常用的外部總線有外設(shè)之間的通信線路。常用的外部總線有IEEE-488并行總線、并行總線、RS-232C串行總線和串行總線和RS485通信總線。通信總線。 1IEEE-488并行通信總線并行通信總線 圖圖2-10 IEEE-488并行通信總線并行通信總線 RS-232C串行通信總線串行通信總線 目前目前RS-232C是是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，在接口，在IBM PC機上的機上的COM1、COM2接口就是接口就是RS-232C接口。接口。利用利用RS-232C串行通信接口可實現(xiàn)兩臺個人計算機的點對點的串行通信接口

27、可實現(xiàn)兩臺個人計算機的點對點的通信；通過通信；通過RS-232C口可與其他外設(shè)（如打印機、智能調(diào)節(jié)儀、口可與其他外設(shè)（如打印機、智能調(diào)節(jié)儀、PLC等）近距離串行連接；通過等）近距離串行連接；通過RS-232C口連接調(diào)制解調(diào)器可口連接調(diào)制解調(diào)器可遠距離地與其他計算機通信；將遠距離地與其他計算機通信；將RS-232C接口轉(zhuǎn)換為接口轉(zhuǎn)換為RS-422或或485接口，可實現(xiàn)一臺個人計算機與多臺現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。接口，可實現(xiàn)一臺個人計算機與多臺現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。設(shè) 備 A控 者聽 者講 者計 算 機設(shè) 備 B聽 者講 者電 壓 表設(shè) 備 C聽 者打 印 機數(shù) 據(jù) 線數(shù) 據(jù) 控 制 線接 口 管 理

28、線設(shè) 備 A控 者聽 者講 者計 算 機設(shè) 備 A控 者聽 者講 者計 算 機設(shè) 備 B聽 者講 者電 壓 表設(shè) 備 B聽 者講 者電 壓 表設(shè) 備 C聽 者打 印 機設(shè) 備 C聽 者打 印 機數(shù) 據(jù) 線數(shù) 據(jù) 控 制 線接 口 管 理 線圖圖2-11 DB9串口連接器串口連接器（1）RS-232C接口連接器接口連接器 RS-232標準定義了主、輔兩個通信信道，輔助信道的傳輸速度標準定義了主、輔兩個通信信道，輔助信道的傳輸速度比主信道低，其他功能與主信道相同。在實際應(yīng)用中，通常只使用比主信道低，其他功能與主信道相同。在實際應(yīng)用中，通常只使用一個主通信信道，因此就產(chǎn)生了簡化的。一個主通信信道，因

29、此就產(chǎn)生了簡化的。RS-232的的9針針D型插頭，型插頭，如圖如圖2-11所示。所示。RS-232C的連接插頭早期用的連接插頭早期用25針針EIA連接插頭座，連接插頭座，現(xiàn)在用現(xiàn)在用9針的針的EIA連接插頭座，其主要端子分配如表如表連接插頭座，其主要端子分配如表如表2-1所示：所示：包括數(shù)據(jù)線、狀態(tài)線、聯(lián)絡(luò)線。包括數(shù)據(jù)線、狀態(tài)線、聯(lián)絡(luò)線。 端腳方向符號功能25針9針23輸出TXD發(fā)送數(shù)據(jù)32輸入RXD接收數(shù)據(jù)47輸出RTS請求發(fā)送58輸入CTS為發(fā)送清零66輸入DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準備好75GND信號地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號檢測204輸出DTR229輸入RI表表2-1 RS-232C串行口的針腳功能

30、串行口的針腳功能（2）RS-232C接口電氣特性接口電氣特性 RS-232C采用負邏輯電平，發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端輸出的邏輯采用負邏輯電平，發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端輸出的邏輯“0”表示正電平（表示正電平（+5V15V），輸出的邏輯），輸出的邏輯“1”表示負電平（表示負電平（-5V-15V）。接收數(shù)據(jù)時，接收端接收）。接收數(shù)據(jù)時，接收端接收+5V+15V高電平表示高電平表示邏輯邏輯“0”，-5V-15V低電平表示邏輯低電平表示邏輯“1”。 RS-232C的噪聲容限是的噪聲容限是2V(因發(fā)送電平和接收電平的差為因發(fā)送電平和接收電平的差為2V)，共模抑制能力較差。可見，電路可以有效地檢查出傳輸電平的絕共模抑制

31、能力較差?？梢?，電路可以有效地檢查出傳輸電平的絕對值大于對值大于3V的信號，而介于的信號，而介于-3+3V之間的電壓信號和低于之間的電壓信號和低于-15V或高于或高于+15V的電壓信號認為無意義。因此，實際工作時，應(yīng)保的電壓信號認為無意義。因此，實際工作時，應(yīng)保證電平的絕對值在證電平的絕對值在(315) V之間。之間。 表表2-2 RS-232C接口電氣特性接口電氣特性狀態(tài)狀態(tài)-15VV15V+5VV1+15V邏輯狀態(tài)邏輯狀態(tài)10信號條件（數(shù)信號條件（數(shù)據(jù)線上）據(jù)線上）傳號傳號（MARK）空號空號（SPACE）功能（控制線功能（控制線上）上）OFFON（3）RS-232C與與TTL的電平轉(zhuǎn)換的

32、電平轉(zhuǎn)換 RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能夠同計算機接口平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能夠同計算機接口或終端的或終端的TTL器件連接，必須在器件連接，必須在RS-232C與與TTL電路之間進電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換，實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元行電平和邏輯關(guān)系的變換，實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片，如圖件，也可用集成電路芯片，如圖2-12所示。所示。圖圖2-12 RS-232C與與TTL的電平轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換（4）RS-232C的不足的不足1）接口信號電平值較高

33、，易損壞接口電路芯片，且與）接口信號電平值較高，易損壞接口電路芯片，且與TTL電平電平不兼容，需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與不兼容，需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與TTL電路連接。電路連接。2）采用單端驅(qū)動、單端接收的單端雙極性電路標準，一條線路）采用單端驅(qū)動、單端接收的單端雙極性電路標準，一條線路傳輸一種信號。發(fā)送傳輸一種信號。發(fā)送 器和接收器之間具有公共信號地，共模信器和接收器之間具有公共信號地，共模信號會耦合到信號系統(tǒng)。對于多條信號線號會耦合到信號系統(tǒng)。對于多條信號線 來說，這種共地傳輸方來說，這種共地傳輸方式抗共模干擾能力很差，尤其傳輸距離較長時會在傳輸電纜上式抗共模干擾能力很差，尤其傳輸距離較長時

34、會在傳輸電纜上產(chǎn)生較大壓降損耗，壓縮了有用信號范圍，在干擾較大時通信產(chǎn)生較大壓降損耗，壓縮了有用信號范圍，在干擾較大時通信可能無法進可能無法進 行，故通信速度和距離不可能較高。行，故通信速度和距離不可能較高。3）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率最大為）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率最大為19200bps。4）傳輸距離有限，最大傳輸距離只有）傳輸距離有限，最大傳輸距離只有15米左右。米左右。 RS-485的工作方式為半雙的工作方式為半雙工，在某一時刻，一個發(fā)送另工，在某一時刻，一個發(fā)送另一個接收。一個接收。RS-485的一個發(fā)的一個發(fā)送器可驅(qū)動送器可驅(qū)動32個接收器，總個接收器，總線上可連

35、接多至線上可連接多至32個驅(qū)動器個驅(qū)動器和接收器，并且可采用二線。和接收器，并且可采用二線。采用二線工作方式時可有多個采用二線工作方式時可有多個驅(qū)動器和接收器連接至單總線，驅(qū)動器和接收器連接至單總線，并且其中任何一個均可發(fā)送或并且其中任何一個均可發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)。RS-485的二線工的二線工作方式連線簡單，成本低，因作方式連線簡單，成本低，因此在工業(yè)控制及通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)此在工業(yè)控制及通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)中使用普遍。表中使用普遍。表2-3是是RS-485 與與RS-232C的比較。的比較。 3RS-485標準總線標準總線表2-3RS-485 與RS-232C的比較接口接口RS-232CRS-485

36、工作模式工作模式單端發(fā)，單端收單端發(fā)，單端收雙端發(fā)，雙端收雙端發(fā)，雙端收連接臺數(shù)連接臺數(shù)1臺驅(qū)動器，臺驅(qū)動器，1臺接收器臺接收器32臺驅(qū)動器，臺驅(qū)動器，32臺接收臺接收器器傳輸距離與速率傳輸距離與速率15m，20kbps12m,10Mbps；120m，1Mbps；1200m，100kbps驅(qū)動器輸出（最驅(qū)動器輸出（最大電壓值）大電壓值）25V-7V+12V驅(qū)動器輸出（信驅(qū)動器輸出（信號電平）號電平）5V（帶負載）（帶負載）15V（未帶負載（未帶負載）1.5V（帶負載）（帶負載）5V（未帶負載）（未帶負載）驅(qū)動器負載阻抗驅(qū)動器負載阻抗37k54示意圖示意圖2.4 MODBUS通信協(xié)議通信協(xié)議 M

37、ODBUS協(xié)議是應(yīng)用于協(xié)議是應(yīng)用于PLC或其他控制器上的一種通用語或其他控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）言。通過此協(xié)議，控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以實現(xiàn)串行通信。該協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)和其他設(shè)備之間可以實現(xiàn)串行通信。該協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)標準。采用標準。采用MODBUS協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控。成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中監(jiān)控。2.4.1 概述概述1MODBUS網(wǎng)絡(luò)上傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳輸 標準的標準的MODBUS接口使用接口使用RS-232C和和RS-485串行接口，

38、它串行接口，它定義了連接器的引腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校定義了連接器的引腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗?？刂破髂苤苯踊蛲ㄟ^調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)。驗。控制器能直接或通過調(diào)制解調(diào)器組網(wǎng)。2其他類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸其他類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸 在其他網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用在其他網(wǎng)絡(luò)上，控制器使用“對等對等”技術(shù)通信，任何控技術(shù)通信，任何控制器都能初始化和其他控制器的通信。這樣在單獨的通信過制器都能初始化和其他控制器的通信。這樣在單獨的通信過程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個程中，控制器既可作為主設(shè)備也可作為從設(shè)備。提供的多個內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程。內(nèi)部通道可允許同時發(fā)生的傳輸進程

39、。2.4.2 兩種傳輸方式兩種傳輸方式 控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或或RTU）中的任何）中的任何一種在標準的一種在標準的MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個的時候，在一個MODBUS網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。的傳輸模式和串口參數(shù)。RTU模式如表模式如表2-4所示。所示。表表2-4 RTU模式模式地址地址功能代碼功能代碼數(shù)據(jù)長數(shù)據(jù)長度度數(shù)據(jù)數(shù)

40、據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)nCRC高字高字節(jié)節(jié)CRC低字低字節(jié)節(jié)2.4.3 MODBUS消息幀消息幀 兩種傳輸模式中（兩種傳輸模式中（ASCII或或RTU），傳輸設(shè)備可以將），傳輸設(shè)備可以將MODBUS消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息轉(zhuǎn)為有起點和終點的幀，這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設(shè)備被選消息起始處開始工作，讀地址分配信息，判斷哪一個設(shè)備被選中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時信息已完成。中（廣播方式則傳給所有設(shè)備），判知何時信息已完成。 使用使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以模式，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間個字符時間的停頓間隔開始。在

41、最后一個傳輸字符之后，一個至少隔開始。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的個字符時間的停頓標注了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始。一停頓標注了消息的結(jié)束，一個新的消息可在此停頓后開始。一個典型的消息幀如表個典型的消息幀如表2-5所示。所示。 表表2-5 RTU消息幀消息幀起始位起始位設(shè)備地址設(shè)備地址功能代碼功能代碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CRC校驗校驗結(jié)束符結(jié)束符T1-T2-T3-T48bit8bitN個個8bit16bitT1-T2-T3-T42.4.4 錯誤檢測方法錯誤檢測方法 標準的標準的MODBUS串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字

42、符都可用，幀檢測（驗對每個字符都可用，幀檢測（LRC或或CRC）應(yīng)用于整個消息。）應(yīng)用于整個消息。它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的，從設(shè)備在接收過程中它們都是在消息發(fā)送前由主設(shè)備產(chǎn)生的，從設(shè)備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。檢測每個字符和整個消息幀。2.4.5 MODBUS的編程方法的編程方法 由由RTU模式消息幀格式可以看出，在完整的一幀消息開始模式消息幀格式可以看出，在完整的一幀消息開始傳輸時，必須和上一幀消息之間至少有傳輸時，必須和上一幀消息之間至少有3.5個字符時間的間隔，個字符時間的間隔，這樣接收方在接收時才能將該幀作為一個新的數(shù)據(jù)幀接收。另這樣接收方在接收時才能將該幀作為一個新的數(shù)據(jù)幀接收。另外，在本數(shù)據(jù)幀進行傳輸時，幀中傳輸?shù)拿總€字符之間必須不外，在本數(shù)據(jù)幀進行傳輸時，幀中傳輸?shù)拿總€字符之間必須不能超過能超過1.5個字符時間的間隔，否則，本幀將被視為無效幀，但個字符時間的間隔，否則，本幀將被視為無效幀，但接收方將繼續(xù)等待和判斷下一次接收方將繼續(xù)等待和判斷下一次3.5個字符的時間間隔之后出現(xiàn)個字符的時間間隔之后出現(xiàn)的新一幀并進行相應(yīng)的處理。因此，在編程時首先要考慮的新一幀并進行相應(yīng)的處理。因此，在編程時首先要考慮1.5個個字符時間和字符時間和3.5個字符時間的設(shè)定和判斷。個字符時間的設(shè)定和判斷。1字符時間的設(shè)定字符時間的設(shè)定 在在RTU模式中