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摘要：针对现代工业生产中，生产设备分散与控制监视不便以及传输距离远的特点，采用典型的RS485总线网络设计，构成仪表远程数据采集的系统框架，通过主从设备通讯的上位机串口编程，实现了Windows下单台上位机（工业PC机）与多台智能仪表的串行通信网络化,达到对分散设备的数据采集和集中控制管理目的。
关键词：RS485总线、智能仪表、数据采集系统
中图分类号：C37 文献标识码：A
1. 引言
在现代工业生产领域中，物资、储料的监测设备分布在现场的各个场所,而对设备的监视和测控非常不便。传统的数据采集系统达到实时处理时以牺牲速读为代价的，这显然与实时处理和高速性兼具的要求矛盾。从实时性，远程可控性，集中管理的目标出发，引入远程数据采集系统（Remote data acquisition system），远程数据采集系统有着自身的特点：首先，为了精确和全方位获取环境信息，系统一般要提供多个采集通道进行高速采样；其次，为方便用户随时了解系统的运行状况，系统在高速采样的同时，必须能以异步接受和处理控制站的命令、传输用户所需数据；另外，系统可以将用户接口和采集任务分开，使采集系统在保证吞吐率和实时性的同时能处理用户输入或来自控制站的传输命令。
2. 数据通讯及系统结构
随着智能仪表通讯技术的不断发展，當今的测控及计量仪表大多带有标准的接口。 Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间均可以通信。它已经成为一种通用工业标准，鉴于现场总线模式，通过Modbus协议网络可以将不同厂商的智能仪表（控制设备）连成工业网络,进行集中监控和管理。
采用标准的Modbus通讯协议，RS-485总线技术方式，实现主从通讯。RS485接口是两线制总线式拓扑结构组成的半双工网络，按照RS485电气特性，在同一总线上一般可挂接32个节点。将工业PC机的串行接口通过通讯器模块（RS232转RS485接口）与智能仪表相连接,一般每台智能仪表作为从设备被赋予不同的通讯地址码用以识别各自的身份，这样上位机作为主设备可与RS485总线网络上的任何一台从设备进行通讯。阻抗匹配时，传输距离可达1200米，实现对从设备的远程数据采集与管理。数据通讯前，按照协议的规定，定义通讯的波特率（大多为9600bps）、起始位（1位）、数据位（8位）、奇偶校验位（1位）、停止位（1位）等格式位，每台智能仪表被赋予总线网络上唯一的地址,上位机作为主设备监视和控制从设备（智能仪表）的运行，可采用主设备轮询,从设备应答的方式，主设备也可以单独对某台从设备发送命令帧,从设备接收到命令后，则根据命令帧中的特征字(命令字),回应主设备所需的数据帧。图1 为系统拓扑结构。
图1RS-485总线拓扑图
3. 上位机编程及串行通讯
在上位机与智能仪表的通讯状态下，Windows操作系统几乎掌控着包括串口在内的整个系统的各种硬件，任何用户不得中断系统的硬件资源。过去人们通过复杂的API函数或VisualC++标准通讯函数来控制上位机的串口资源,现在仅利用Microsoft的Active控件类型中的“MSComm”控件可以方便管理和控制计算机串口的通讯。
一般使用“MSComm”控件的方法是，在高级语言的编程环境下，引用“MSComm”控件，定义控件的通讯格式，当然可启用定时器，实现工业PC机对智能仪表轮询的通讯模式，也可单独使用命令按钮，对某台智能仪表进行访问和控制。
监控软件界面设计时，定义若干个文本框或显示标签来显示智能仪表的数据参量，创建仪表参数设置的对话框可实现单独对某台智能仪表进行设置。
定义“MSComm”控件的事件触发函数，接收和处理数据。当智能仪表回传数据时，即会触发上位机监控软件中“MSComm”控件的“OnComm（）”事件，事件函数首先判断接收数据的完整性,然后将数据一次性全部读到所定义的参数变量中,根据从设备通讯协议格式定义的内容,进行数据解析，然后进行数据计算、显示，存储，报表输出等。
上位机监控软件的核心是通过串行通讯实时读取RS485总线网络上每台智能仪表的采样数据并可以对各台智能仪表下达命令。编程时，若上位机采用轮询方式访问每一台智能仪表,仪表应答到发送完数据需要一定的时间，所以上位机软件的采样周期，也就是要注意系统采样定时器的时间间隔。当一个串口工作在半双工通讯方式，不管是上位机或智能仪表，任何一方发送数据时，另一方必须等待接收,因此在发送单独命令或非周期性命令时，必须停止轮询工作方式，否则会发生数据包碰撞,通讯异常。
4. 智能仪表数据处理
现场总线智能仪表是个特定的概念，遵循国际现场总线协议设计。总线智能仪表作为远程数据采集系统的从设备，是总线网络上的一个节点，总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字通信能力，并可独立完成测量控制或通信任务。在现场总线控制系统下，智能仪表具有功能自治能力，负责采集现场设备的各种模拟量、数字量等信息参量，并进行补偿计算、量化转换及控制前端设备。
智能仪表的数据接收器采用微处理器（单片机）控制来管理数据采集单元和串行通信单元。系统工作时,上位机定义智能仪表的身份识别码或地址来表示对一台智能仪表访问的开始，智能仪表的数据接收器处于等待状态,一旦接收到数据块，并将数据存入设备内部RAM的数据缓冲区,然后向微处理器发出中断请求，中断请求得到响应后,开始传送数据。
5. 结论
基于Modbus标准工业通讯协议，本文介绍了通过利用RS485两线制总线方式，实现一点对多点的远程通讯技术，达到对远程仪表（或分散设备）的数据采集、集中控制与管理，解决了远距离传输问题。本系统在工业很多领域得到了广泛使用,实现了数据分布采集控制与集中监视管理，实时反应出生产中的动态数据,节约了生产成本，减少了生产中的事故，方便了用户。整个系统结构简单、灵活,维护方便，具有较高的可靠性和实用性。
参考文献：
[1] 薛剑宇.仪表远程数据采集开发与应用.《科技创新导报》2009
[2] 张雄飞,方方.Windows平台下数据采集串口通讯的实现.《计算机自动测量与控制》2004
[3] 徐卫华,王圣章,吴钦国.仪表远程数据采集开发与应用.《莱钢科技》2006
[4] 张冰,苏燕辰.基于RS485总线技术的微机与智能仪表的双向通信设计.
《中国测试技术》2005
[5] 熊伟丽,徐保国,李超璟.分布式控制系统中智能仪表串行通信的实现. 《化工自动化及仪表》2004
关键词：RS485总线、智能仪表、数据采集系统
中图分类号：C37 文献标识码：A
1. 引言
在现代工业生产领域中，物资、储料的监测设备分布在现场的各个场所,而对设备的监视和测控非常不便。传统的数据采集系统达到实时处理时以牺牲速读为代价的，这显然与实时处理和高速性兼具的要求矛盾。从实时性，远程可控性，集中管理的目标出发，引入远程数据采集系统（Remote data acquisition system），远程数据采集系统有着自身的特点：首先，为了精确和全方位获取环境信息，系统一般要提供多个采集通道进行高速采样；其次，为方便用户随时了解系统的运行状况，系统在高速采样的同时，必须能以异步接受和处理控制站的命令、传输用户所需数据；另外，系统可以将用户接口和采集任务分开，使采集系统在保证吞吐率和实时性的同时能处理用户输入或来自控制站的传输命令。
2. 数据通讯及系统结构
随着智能仪表通讯技术的不断发展，當今的测控及计量仪表大多带有标准的接口。 Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间均可以通信。它已经成为一种通用工业标准，鉴于现场总线模式，通过Modbus协议网络可以将不同厂商的智能仪表（控制设备）连成工业网络,进行集中监控和管理。
采用标准的Modbus通讯协议，RS-485总线技术方式，实现主从通讯。RS485接口是两线制总线式拓扑结构组成的半双工网络，按照RS485电气特性，在同一总线上一般可挂接32个节点。将工业PC机的串行接口通过通讯器模块（RS232转RS485接口）与智能仪表相连接,一般每台智能仪表作为从设备被赋予不同的通讯地址码用以识别各自的身份，这样上位机作为主设备可与RS485总线网络上的任何一台从设备进行通讯。阻抗匹配时，传输距离可达1200米，实现对从设备的远程数据采集与管理。数据通讯前，按照协议的规定，定义通讯的波特率（大多为9600bps）、起始位（1位）、数据位（8位）、奇偶校验位（1位）、停止位（1位）等格式位，每台智能仪表被赋予总线网络上唯一的地址,上位机作为主设备监视和控制从设备（智能仪表）的运行，可采用主设备轮询,从设备应答的方式，主设备也可以单独对某台从设备发送命令帧,从设备接收到命令后，则根据命令帧中的特征字(命令字),回应主设备所需的数据帧。图1 为系统拓扑结构。
图1RS-485总线拓扑图
3. 上位机编程及串行通讯
在上位机与智能仪表的通讯状态下，Windows操作系统几乎掌控着包括串口在内的整个系统的各种硬件，任何用户不得中断系统的硬件资源。过去人们通过复杂的API函数或VisualC++标准通讯函数来控制上位机的串口资源,现在仅利用Microsoft的Active控件类型中的“MSComm”控件可以方便管理和控制计算机串口的通讯。
一般使用“MSComm”控件的方法是，在高级语言的编程环境下，引用“MSComm”控件，定义控件的通讯格式，当然可启用定时器，实现工业PC机对智能仪表轮询的通讯模式，也可单独使用命令按钮，对某台智能仪表进行访问和控制。
监控软件界面设计时，定义若干个文本框或显示标签来显示智能仪表的数据参量，创建仪表参数设置的对话框可实现单独对某台智能仪表进行设置。
定义“MSComm”控件的事件触发函数，接收和处理数据。当智能仪表回传数据时，即会触发上位机监控软件中“MSComm”控件的“OnComm（）”事件，事件函数首先判断接收数据的完整性,然后将数据一次性全部读到所定义的参数变量中,根据从设备通讯协议格式定义的内容,进行数据解析，然后进行数据计算、显示，存储，报表输出等。
上位机监控软件的核心是通过串行通讯实时读取RS485总线网络上每台智能仪表的采样数据并可以对各台智能仪表下达命令。编程时，若上位机采用轮询方式访问每一台智能仪表,仪表应答到发送完数据需要一定的时间，所以上位机软件的采样周期，也就是要注意系统采样定时器的时间间隔。当一个串口工作在半双工通讯方式，不管是上位机或智能仪表，任何一方发送数据时，另一方必须等待接收,因此在发送单独命令或非周期性命令时，必须停止轮询工作方式，否则会发生数据包碰撞,通讯异常。
4. 智能仪表数据处理
现场总线智能仪表是个特定的概念，遵循国际现场总线协议设计。总线智能仪表作为远程数据采集系统的从设备，是总线网络上的一个节点，总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字通信能力，并可独立完成测量控制或通信任务。在现场总线控制系统下，智能仪表具有功能自治能力，负责采集现场设备的各种模拟量、数字量等信息参量，并进行补偿计算、量化转换及控制前端设备。
智能仪表的数据接收器采用微处理器（单片机）控制来管理数据采集单元和串行通信单元。系统工作时,上位机定义智能仪表的身份识别码或地址来表示对一台智能仪表访问的开始，智能仪表的数据接收器处于等待状态,一旦接收到数据块，并将数据存入设备内部RAM的数据缓冲区,然后向微处理器发出中断请求，中断请求得到响应后,开始传送数据。
5. 结论
基于Modbus标准工业通讯协议，本文介绍了通过利用RS485两线制总线方式，实现一点对多点的远程通讯技术，达到对远程仪表（或分散设备）的数据采集、集中控制与管理，解决了远距离传输问题。本系统在工业很多领域得到了广泛使用,实现了数据分布采集控制与集中监视管理，实时反应出生产中的动态数据,节约了生产成本，减少了生产中的事故，方便了用户。整个系统结构简单、灵活,维护方便，具有较高的可靠性和实用性。
参考文献：
[1] 薛剑宇.仪表远程数据采集开发与应用.《科技创新导报》2009
[2] 张雄飞,方方.Windows平台下数据采集串口通讯的实现.《计算机自动测量与控制》2004
[3] 徐卫华,王圣章,吴钦国.仪表远程数据采集开发与应用.《莱钢科技》2006
[4] 张冰,苏燕辰.基于RS485总线技术的微机与智能仪表的双向通信设计.
《中国测试技术》2005
[5] 熊伟丽,徐保国,李超璟.分布式控制系统中智能仪表串行通信的实现. 《化工自动化及仪表》2004