单片机的远程io模块设计，(附件)
摘 要 远程IO在工业领域应用广泛，在单一工控机控制系统中有时需要大量逻辑控制，而适合该系统的远程IO不多且存在一些问题。本文采用单片机采集数字量输入信号，通过以太网或RS-485接口将采集数据发送至上位机PC；上位机PC根据控制需要向单片机发送数字量输出数据由单片机控制数字量输出接口状态。远程IO模块硬件部分主要包括三端光耦隔离传感器输入、开关量输入、拨码管输入、并行转串行扩展输入模块、STC12C5A32S2单片机最小系统模块、串行转并行输出模块、继电器输出、光耦隔离晶体管电平输出、W5500以太网模块、RS-485通信模块、电源模块、程序下载模块等电路。采用Keil软件进行输入扩展程序、输出扩展程序、W5500以太网通信等单片机程序设计；采用VC++6.0进行上位机程序设计。上位机通过网络调试软件实现与单片机的通信，能够接收单片机定时发送的数字量输入数据；在需要时向单片机发送数据改变远程IO模块的数字量输出状态；并实现了用PC机同时与两块远程IO模块的通信。实验结果表明，该远程IO模块能够正常平稳运行、逻辑正确、可靠性高，可用于相应工业领域。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1工控机 1
1.1.2工控机控制方式 1
1.1.3 PLC逻辑控制 2
1.1.4问题的提出与课题研究内容 2
1.2研究现状以及发展 2
1.3单片机简介 3
1.3.1单片机概述 3
1.3.2发展历史 3
1.1.3发展趋势 3
1.4以太网及485通信 4
1.4.1以太网通信 4
1.4.2 RS485通信 4
1.5远程IO模块 4
第二章 方案与硬件选型 5
2.1方案设计 5
2.2硬件选型 6
2.2.1数字量输入部分 6
2.2.2数字量输出部分 6
2.2.3光耦隔离 7
2.2.4单片机（MCU） 8
2.2.5 W5500模块 8
2.2.6 RS485模块 9
2.2.7
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程序下载模块 10
第三章 硬件设计 11
3.1数字量输入模块 11
3.1.1光耦隔离电路 11
3.1.2并行转串行电路 12
3.2数字量输出模块 12
3.2.1串行转并行输出 12
3.2.2光耦隔离晶体管电平输出 13
3.2.3继电器输出 14
3.3通信模块 15
3.3.1W5500以太网模块 15
3.3.2 RS485模块 16
3.3.3程序下载模块 16
3.4电源模块 17
第四章 软件设计 18
4.1 SPI协议传输模式 18
4.1.1 SPI协议简介 18
4.1.2 SPI数据传输 18
4.1.3 SPI协议工作模式 19
4.1.4 SPI工作模式 19
4.1.5 SPI程序例程 21
4.2数字量输入程序 22
4.3数字量输出程序 24
4.4主函数及以太网模块子函数 26
4.5上位机PC的VC编程设计 27
4.6调试结果 29
第五章 总结与展望 32
5.1设计成果 32
5.2设计不足 32
5.2.1硬件电路 32
5.2.2程序部分 32
5.3后续工作与展望 33
5.3.1后续工作 33
5.3.1设计应用 33
致谢 34
参考文献 35
附录A 37
附录B 40
附录C 43
附录D 44
附录E 49
绪论
1.1课题研究背景
1.1.1工控机
工控机（Industrial Personal Computer，简称IPC），是一种工业级的控制计算机，采用总线的结构，是一种对现场生产、机电、工艺包装等设备进行检测和控制的工具。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。工控机主要有以下特点：
IPC具有着高可靠性，其MTTR(平均维修时间)可达到5min，MTTF（平均故障间隔时间）可达到10万小时以上，而普通的PC机的MTTF仅为10000～15000小时。
IPC具有实时性，工业级PC能够对现场生产过程进行实时检测与控制，能够对工作状态变化给予最快速的反应，能够及时的处理紧急事故。
IPC具有扩充性，工业级PC主要采用底板加CPU扩展卡的结构，最多能够扩展20个板卡，能够实现与工业现场设备的各种检查、监控操作。
IPC具有兼容性，能够同时利用PCI和ISA以及PICMG资源，支持多种操作系统、多种语言编程。
IPC具有广阔的软件资源库，能够对图形、存储数据、网络等进行编辑操作。
现如今，工控机依靠它成熟的技术、智能化的监控、快捷方便的操作方式等优点，在工业领域已经广泛应用。IPC时通过加扩展板卡实现对IO模块的扩展，大部分采用并行接口输入，也有少部分通过串口或以太网模块输入，研究以太网模块的网络通信能够使控制更加方便、快捷。
1.1.2工控机控制方式
在工业领域中，工控机主要采用PCI（Peripheral Component Interconnect）总线连接控制板卡实现数据的传输。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部并行总线，而且PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的，能够支持即插即用、中断共享等功能。比如运动速度、位置控制卡，通过PCI总线即直接可以实现对运动速度、位置的控制。同时PCI总线也可通过以太网模块实现与上位机PC的通信。
PCI的总线具有结构简单、价格低廉、设计比较简单等优点，但同时缺点也比较明显，虽然可以通过加入扩展板卡来实现扩展IO，但PCI总线还是无法连接太多的设备，有非常大的局限性；信号线之间会存在干扰，影响系统的正常工作；连接多个设备时，有效带宽将大幅度降低，导致传输速率变慢。
工控机主要大多通过串口来实现通信，也有少部分使用以太网进行通信，通过串口有一定的距离限制，而通过以太网没有距离限制，因此研究通过以太网的通信有一定的实用意义。
1.1.3 PLC逻辑控制
可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是一种可编程的存储器，可以在内部实现数据逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作。在逻辑运算以及控制方面，性能要优于工控机。随着电子计算机技术的发展与进步，PLC不仅可以实现逻辑控制，同时还具有了网络通信的功能，并且通过网络可以实现用软件来改变控制流程。
PLC具有体积较小、组装维护便捷、易于编程、可靠性高、抗干扰能力强等优点，但同时PLC价格昂贵，虽然扩展方便，但是扩展占用体积较大，不利于较多端口的扩展，而且扩展后排线冗杂，不利于后期维护。
1.1.4问题的提出与课题研究内容
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1工控机 1
1.1.2工控机控制方式 1
1.1.3 PLC逻辑控制 2
1.1.4问题的提出与课题研究内容 2
1.2研究现状以及发展 2
1.3单片机简介 3
1.3.1单片机概述 3
1.3.2发展历史 3
1.1.3发展趋势 3
1.4以太网及485通信 4
1.4.1以太网通信 4
1.4.2 RS485通信 4
1.5远程IO模块 4
第二章 方案与硬件选型 5
2.1方案设计 5
2.2硬件选型 6
2.2.1数字量输入部分 6
2.2.2数字量输出部分 6
2.2.3光耦隔离 7
2.2.4单片机（MCU） 8
2.2.5 W5500模块 8
2.2.6 RS485模块 9
2.2.7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
程序下载模块 10
第三章 硬件设计 11
3.1数字量输入模块 11
3.1.1光耦隔离电路 11
3.1.2并行转串行电路 12
3.2数字量输出模块 12
3.2.1串行转并行输出 12
3.2.2光耦隔离晶体管电平输出 13
3.2.3继电器输出 14
3.3通信模块 15
3.3.1W5500以太网模块 15
3.3.2 RS485模块 16
3.3.3程序下载模块 16
3.4电源模块 17
第四章 软件设计 18
4.1 SPI协议传输模式 18
4.1.1 SPI协议简介 18
4.1.2 SPI数据传输 18
4.1.3 SPI协议工作模式 19
4.1.4 SPI工作模式 19
4.1.5 SPI程序例程 21
4.2数字量输入程序 22
4.3数字量输出程序 24
4.4主函数及以太网模块子函数 26
4.5上位机PC的VC编程设计 27
4.6调试结果 29
第五章 总结与展望 32
5.1设计成果 32
5.2设计不足 32
5.2.1硬件电路 32
5.2.2程序部分 32
5.3后续工作与展望 33
5.3.1后续工作 33
5.3.1设计应用 33
致谢 34
参考文献 35
附录A 37
附录B 40
附录C 43
附录D 44
附录E 49
绪论
1.1课题研究背景
1.1.1工控机
工控机（Industrial Personal Computer，简称IPC），是一种工业级的控制计算机，采用总线的结构，是一种对现场生产、机电、工艺包装等设备进行检测和控制的工具。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。工控机主要有以下特点：
IPC具有着高可靠性，其MTTR(平均维修时间)可达到5min，MTTF（平均故障间隔时间）可达到10万小时以上，而普通的PC机的MTTF仅为10000～15000小时。
IPC具有实时性，工业级PC能够对现场生产过程进行实时检测与控制，能够对工作状态变化给予最快速的反应，能够及时的处理紧急事故。
IPC具有扩充性，工业级PC主要采用底板加CPU扩展卡的结构，最多能够扩展20个板卡，能够实现与工业现场设备的各种检查、监控操作。
IPC具有兼容性，能够同时利用PCI和ISA以及PICMG资源，支持多种操作系统、多种语言编程。
IPC具有广阔的软件资源库，能够对图形、存储数据、网络等进行编辑操作。
现如今，工控机依靠它成熟的技术、智能化的监控、快捷方便的操作方式等优点，在工业领域已经广泛应用。IPC时通过加扩展板卡实现对IO模块的扩展，大部分采用并行接口输入，也有少部分通过串口或以太网模块输入，研究以太网模块的网络通信能够使控制更加方便、快捷。
1.1.2工控机控制方式
在工业领域中，工控机主要采用PCI（Peripheral Component Interconnect）总线连接控制板卡实现数据的传输。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部并行总线，而且PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的，能够支持即插即用、中断共享等功能。比如运动速度、位置控制卡，通过PCI总线即直接可以实现对运动速度、位置的控制。同时PCI总线也可通过以太网模块实现与上位机PC的通信。
PCI的总线具有结构简单、价格低廉、设计比较简单等优点，但同时缺点也比较明显，虽然可以通过加入扩展板卡来实现扩展IO，但PCI总线还是无法连接太多的设备，有非常大的局限性；信号线之间会存在干扰，影响系统的正常工作；连接多个设备时，有效带宽将大幅度降低，导致传输速率变慢。
工控机主要大多通过串口来实现通信，也有少部分使用以太网进行通信，通过串口有一定的距离限制，而通过以太网没有距离限制，因此研究通过以太网的通信有一定的实用意义。
1.1.3 PLC逻辑控制
可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是一种可编程的存储器，可以在内部实现数据逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作。在逻辑运算以及控制方面，性能要优于工控机。随着电子计算机技术的发展与进步，PLC不仅可以实现逻辑控制，同时还具有了网络通信的功能，并且通过网络可以实现用软件来改变控制流程。
PLC具有体积较小、组装维护便捷、易于编程、可靠性高、抗干扰能力强等优点，但同时PLC价格昂贵，虽然扩展方便，但是扩展占用体积较大，不利于较多端口的扩展，而且扩展后排线冗杂，不利于后期维护。
1.1.4问题的提出与课题研究内容
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