分布式远程io模块设计【字数：12112】
远程I/O目前已被广泛应用于楼宇自动化、智能交通、能源管理系统、环境监测等领域，它可以对多个距离较远、地理位置分散的现场实现统一监控。本文设计了一种远程I/O模块，该模块以C8051F410单片机为核心，共分为模拟量I/O、数字量I/O和总线通信三个子模块，可采集2路模拟量和6路数字量，输出1路模拟量和4路数字量，并具有RS-485接口。通过RS-485接口可以对模拟量和数字量的输入输出进行配置，或者读取采集数据。由于单片机与周围各个子模块之间均采取了隔离措施，故其抗干扰能力极强。在实践过程中，本设计性能稳定，且测量数据精度较高。
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 课题研究的背景及发展现状 1
1.3 研究的主要内容 2
2 总体方案设计 4
2.1 系统设计要求 4
2.2 模拟量和数字量的隔离方案 4
2.3 电源设计方案 5
2.4 传输方案选定 5
2.5 系统框图及网络拓扑图 5
2.6 本章小结 7
3 硬件电路设计 8
3.1 微控制器模块 8
3.2 电源模块 9
3.3 模拟量I/O模块 10
3.3.1 模拟量输入 10
3.3.2 模拟量输出 11
3.4 数字量I/O模块 12
3.4.1 数字量输入 12
3.4.2 数字量输出 13
3.5 总线通信模块 14
3.6 本章小结 14
4 软件设计 16
4.1 数据采集/输出模块 16
4.1.1 数据采集/输出模块流程图 15
4.1.2 模拟量输入模块 17
4.1.3 模拟量输出模块 17
4.1.4 数字量输入模块 18
4.2 总线通信模块 19
4.2.1 串口通信 19
4.2.2 总线通信数据格式制定 19
4.2.3 总线通信软件设计 21
4.3 本章小结 23
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5 系统调试 24
5.1 总线通信模块调试 24
5.2 数据采集/输出模块调试 24
5.2.1 模拟量I/O模块调试 24
5.2.2 数字量I/O模块调试 24
5.3 本章小结 25
参考文献 26
附录 27
1 绪论
课题研究的目的和意义
远程I/O模块是具有通信功能的数据采集/传送模块，将现场数据送到控制中心，或者接收控制中心的数据，对现场设备进行控制。目前在工业生产及现实生活的许多方面，需要对一些远程的、分散的、无人值守的现场，以及对偏远并且条件恶劣的地区进行定时数据采集，以便及时了解现场的情况，进行实时监测和控制。
本课题提出了一种远程I/O，以隔离方式采集、输出信号，并通过总线传输数据，采用modbus协议还可实现与主控中心的信息互通，提高了系统自动化、工作效率和抗干扰能力，具有重大的应用意义。
课题研究的背景及发展现状
从20世纪80年代起，远程I/O就已经广泛地应用于电力、气象、环境监测等各个工业领域[1]。它的实质是具有通信功能的数据采集/传送模块，由两部分组成：总线通信适配器和I/O模块，它们通过内部总线连接，而总线通信适配器通过外部总线通信接口与现场总线网络交换数据[2]。当时的I/O模块只是作为PLC的附属模块来扩展PLC的I/O点数[3]。I/O模块与PLC主控模块之间采用并行总线接口进行通信，使用了专用的通信规约，导致这样的I/O模块兼容性差，不能得到很好的发展[4]。
90年代左右，随着现场总线的发展，通过开放总线连接的远程I/O模块才成为可独立使用的产品[5]。那个时期比较有影响力的公司有Schlemberger、ACIC和MOORE。他们推出的远程I/O，对模拟量的采集具有812位的分辨率，采样速率可达几十Ksps，采用的总线技术有RS485、CAN、HART、LonWork等[6]。不过这些产品都存在一个共同的问题：成本较高，并且不易调整。每个I/O模块都配置固定的总线通信适配器，无论是更换总线接口或I/O点数类型，都需更换整个模块，这使得系统应用和扩展极为不便[5]。另一方面，由于每个I/O模块都需单独配置一个总线通信适配器，而总线通信适配器部分的成本相对较高，故使得这种分布式控制成本难于下降[5]。实际上I/O模块的信息量都很小，一个总线通信适配器完全可连接多个I/O模块[5]。因此，后来逐渐出现了可配置远程I/O模块。可配置是指一个远程I/O节点所连接的I/O模块的数量及其规格(输入或输出、信号电平、数字量或模拟量等)可在规定范围内自由组合,以适应不同现场的要求[1]。解决了远程I/O在结构和配置上的问题后，所有公司的研究方向便落在了性能上。
发展至今，远程I/O技术已经得到了很大的提升，对模拟量的分辨率可达32位，采样速率已至数Msps[7]。现场总线也开发出了40多种，目前在应用领域中被普遍使用的几种总线包括RS_485、CAN、LVDS和PROFIBUS[8]。在不同的应用场合，对总线的选取也不一样。例如华北电力大学付雷研究出的远程I/O，应用于电厂化学水处理系统，采用了PROFIBUS总线。华中科技大学敬江河设计出一种应用于印染控制系统的远程I/O，用的是CAN总线[9]。
目前，市面上的远程I/O，对频率小于100KHZ的数字信号一般采用光耦隔离，当频率大于200KHZ时，用磁隔离芯片进行隔离。关于模拟量，基于成本和精度的考虑，一般是将其转化为数字量，然后用数字量隔离的方法进行隔离。在输出数字量时，若外设电压高于单片机供电电压，采用集电极开路输出，否则采用漏极开路输出。例如研华的ADAM4050（数字量I/O模块），采用光耦隔离，输入支持干接点和湿接点，输出030V，集电极开路输出[10]。
基于以上研究成果，本课题提出的远程I/O，使用1030V宽电压供电，可采集025V的模拟量和数字量信号，模拟量的输出电压范围是05V，数字量最大可输出24V电压。对模拟量的有效分辨率为12位，采样速率为40Ksps。选择RS485总线传输数据。
研究的主要内容
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 课题研究的背景及发展现状 1
1.3 研究的主要内容 2
2 总体方案设计 4
2.1 系统设计要求 4
2.2 模拟量和数字量的隔离方案 4
2.3 电源设计方案 5
2.4 传输方案选定 5
2.5 系统框图及网络拓扑图 5
2.6 本章小结 7
3 硬件电路设计 8
3.1 微控制器模块 8
3.2 电源模块 9
3.3 模拟量I/O模块 10
3.3.1 模拟量输入 10
3.3.2 模拟量输出 11
3.4 数字量I/O模块 12
3.4.1 数字量输入 12
3.4.2 数字量输出 13
3.5 总线通信模块 14
3.6 本章小结 14
4 软件设计 16
4.1 数据采集/输出模块 16
4.1.1 数据采集/输出模块流程图 15
4.1.2 模拟量输入模块 17
4.1.3 模拟量输出模块 17
4.1.4 数字量输入模块 18
4.2 总线通信模块 19
4.2.1 串口通信 19
4.2.2 总线通信数据格式制定 19
4.2.3 总线通信软件设计 21
4.3 本章小结 23
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5 系统调试 24
5.1 总线通信模块调试 24
5.2 数据采集/输出模块调试 24
5.2.1 模拟量I/O模块调试 24
5.2.2 数字量I/O模块调试 24
5.3 本章小结 25
参考文献 26
附录 27
1 绪论
课题研究的目的和意义
远程I/O模块是具有通信功能的数据采集/传送模块，将现场数据送到控制中心，或者接收控制中心的数据，对现场设备进行控制。目前在工业生产及现实生活的许多方面，需要对一些远程的、分散的、无人值守的现场，以及对偏远并且条件恶劣的地区进行定时数据采集，以便及时了解现场的情况，进行实时监测和控制。
本课题提出了一种远程I/O，以隔离方式采集、输出信号，并通过总线传输数据，采用modbus协议还可实现与主控中心的信息互通，提高了系统自动化、工作效率和抗干扰能力，具有重大的应用意义。
课题研究的背景及发展现状
从20世纪80年代起，远程I/O就已经广泛地应用于电力、气象、环境监测等各个工业领域[1]。它的实质是具有通信功能的数据采集/传送模块，由两部分组成：总线通信适配器和I/O模块，它们通过内部总线连接，而总线通信适配器通过外部总线通信接口与现场总线网络交换数据[2]。当时的I/O模块只是作为PLC的附属模块来扩展PLC的I/O点数[3]。I/O模块与PLC主控模块之间采用并行总线接口进行通信，使用了专用的通信规约，导致这样的I/O模块兼容性差，不能得到很好的发展[4]。
90年代左右，随着现场总线的发展，通过开放总线连接的远程I/O模块才成为可独立使用的产品[5]。那个时期比较有影响力的公司有Schlemberger、ACIC和MOORE。他们推出的远程I/O，对模拟量的采集具有812位的分辨率，采样速率可达几十Ksps，采用的总线技术有RS485、CAN、HART、LonWork等[6]。不过这些产品都存在一个共同的问题：成本较高，并且不易调整。每个I/O模块都配置固定的总线通信适配器，无论是更换总线接口或I/O点数类型，都需更换整个模块，这使得系统应用和扩展极为不便[5]。另一方面，由于每个I/O模块都需单独配置一个总线通信适配器，而总线通信适配器部分的成本相对较高，故使得这种分布式控制成本难于下降[5]。实际上I/O模块的信息量都很小，一个总线通信适配器完全可连接多个I/O模块[5]。因此，后来逐渐出现了可配置远程I/O模块。可配置是指一个远程I/O节点所连接的I/O模块的数量及其规格(输入或输出、信号电平、数字量或模拟量等)可在规定范围内自由组合,以适应不同现场的要求[1]。解决了远程I/O在结构和配置上的问题后，所有公司的研究方向便落在了性能上。
发展至今，远程I/O技术已经得到了很大的提升，对模拟量的分辨率可达32位，采样速率已至数Msps[7]。现场总线也开发出了40多种，目前在应用领域中被普遍使用的几种总线包括RS_485、CAN、LVDS和PROFIBUS[8]。在不同的应用场合，对总线的选取也不一样。例如华北电力大学付雷研究出的远程I/O，应用于电厂化学水处理系统，采用了PROFIBUS总线。华中科技大学敬江河设计出一种应用于印染控制系统的远程I/O，用的是CAN总线[9]。
目前，市面上的远程I/O，对频率小于100KHZ的数字信号一般采用光耦隔离，当频率大于200KHZ时，用磁隔离芯片进行隔离。关于模拟量，基于成本和精度的考虑，一般是将其转化为数字量，然后用数字量隔离的方法进行隔离。在输出数字量时，若外设电压高于单片机供电电压，采用集电极开路输出，否则采用漏极开路输出。例如研华的ADAM4050（数字量I/O模块），采用光耦隔离，输入支持干接点和湿接点，输出030V，集电极开路输出[10]。
基于以上研究成果，本课题提出的远程I/O，使用1030V宽电压供电，可采集025V的模拟量和数字量信号，模拟量的输出电压范围是05V，数字量最大可输出24V电压。对模拟量的有效分辨率为12位，采样速率为40Ksps。选择RS485总线传输数据。
研究的主要内容
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