RS485-MBUS转换器硬件电路设计

RS485-MBUS转换器硬件电路设计
摘要
RS485采用多点差分平衡传输，具有良好的抗干扰能力，适合多点互联，但接线方式不适用于长距离传输。协议转换器能将使用不同通信协议的数据相互转换，实现不同总线之间的互联，完成优势互补。本文设计了一种转换器，应用于数据传输，将传统的RS485接口与无线GPRS网络结合起来。通过STM32单片机将RS485与GPRS模块建立连接，应用Internet服务，将数据上传至网络，数据可以在其他端口下载，如此完成了数据的无线远距离传输。
本文首先针对RS485接口常用的MODBUS协议包括响应方式、帧格式等内容进行了简单的介绍。并分析了GPRS网络结构和数据传输原理，设计了RS485与GPRS转换器的硬件设计电路，该电路主要包括主控芯片部分、RS485接口、GPRS模块以及供电电源，选用STM32F103VE为主控芯片处理数据，以MG323模块为GPRS处理器完成数据的传送和接受。接着，对应设计好的硬件电路，编写各部分的软件通信程序，程序内容分为主程序模块、外设初始化模块、MG323通讯等。
本文设计的协议转换器将实现RS485和GPRS之间的数据转换，实现了传输方式从有线到无线的转变，解决了串口设备长距离传输的问题，为今后协议转换器更多地应用在不同总线互联中提供了参考价值。

关键词：RS485 GPRS 协议转换器

ABSTRACT
RS485 adopts multi-point differential balanced transmission with good anti-jamming capability. It is suitable for multi-point connectivity, but it is not conducive for the long-distance transmission. Protocol converters can achieve the interconnection between different bus and complete complementary advantages. According to the interconnection between the traditional RS485 and GPRS network, the paper designed a protocol converter, which is used in data transmission. The connection between RS485 and GPRS module was established using the STM32 microcontroller. The data can be uploaded to the network using the Internet services, and downloaded elsewhere. Thus, the wireless long-distance transmission of data was achieved.
Firstly, the common MODBUS protocols of RS485 interface, including response mode, frame format et. al, was introduced simply. The GPRS network structure and data transmission principle were analyzed. Then the hardware circuit of RS485 and GPRS converter was designed, including the main chip module, RS485 interface, GPRS module and system power supply. The data were processed using STM32F103VE main controller and the data transceiver of GPRS data was completed using MG323 module Based on the hardware, the software communications programs of the functional modules were designed, including the main program module, peripheral initialization module, MG323 module, et.al.
In this paper, the protocol converter can connect RS485 network and GPRS network, achieving a transformation from wire transmission to wireless transmission and solving the problem of long-distance transmission. It provides a reference value for more application on different bus interconnection of the protocol converter.

Key words：RS485；GPRS；Protocol converter

1 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究工作 3

2 MODBUS协议和GPRS原理 4

2.1 MODBUS协议 4

2.1.1 MODBUS协议简述 4

2.1.2 查询—回应周期 4

2.1.3 通讯规约 5

2.1.4 错误检测的方法 6

2.2 GPRS原理 6

2.2.1 GPRS网络结构 6

2.2.2 GPRS网络分层模型 6

2.2.3 GPRS网络传输协议 7

2.3 本章小结 10

3 系统的硬件设计 11

3.1 系统架构 11

3.1.1 主控芯片模块设计 11

3.1.2 RS485模块设计 13

3.1.3 GPRS模块设计 14

3.1.4 电源模块 15

3.2 PCB的设计 16

3.2.1 Protel DXP软件概述 16

3.2.2 电路原理图设计 16

3.2.3 PCB的布局设计 17

3.3 本章小结 19

4 系统的软件设计 20

4.1 开发环境介绍 20

4.2 主程序模块 21

4.3 外设初始化 22

1．GPIO配置 23

2．USART串口 23

3．NVIC配置 24

4．RCC时钟 24

4.4 MG323通讯 24

4.4.1 AT指令 25

4.4.2 TCP连接 25

4.4.3 数据传输 25

4.5 本章小结 27

总结 28

致谢 29

参考文献 30

1 绪论

1.1 课题背景

物联网是建立在互联网基础上的扩展和延伸，通过传感器以及数据交换实现物物相连，进行信息交换和通讯，以实现对物体的智能化管理。物联网前景广阔，它将极大地改变人们的生活方式，是现代电子技术信息产业突破性革新[1]。

通信是物联网的重要组成部分，当今社会主要以信号传输稳定的有线通讯为主，但其接线的繁琐，特别是在有许多其他设备的情况下，凌乱众多的接口让人烦不胜烦，并且昂贵的造价成本和维护管理成本也是厂商要考虑的重要问题。此时，无线通讯就展现了它的优势，它是利用电磁波信号的特性实现信息通信的，因其移动性，连接简单的特点受到广泛应用，普通大众熟知的有3G、蓝牙、数字电视等等[2]。

GPRS是移动公司经营的信息传输网络,不存在管理或维修等费用,需要的资金投入较少，在收费系统上也占有明显优势，并且能够突发式的进行数据传输，且能够承受偶尔突发的较大数据量[3]，又因服务覆盖范围广阔，应用方便，因此GPRS在无线通讯中具有较大的优势。

本文论述了一种协议转换器，能实现RS485到GPRS的信号转换，解决了串口设备长距离传输的问题，避免了繁琐的线路连接；而且用户不需要知道复杂的通信原理和协议，就能完成信号转换。RS485串口的广泛应用以及从有线到无线传输方式转变的便利性，都决定了该转换器有着良好的市场前景，意义重大。

1.2 国内外研究现状

GPRS（也叫通用无线分组业务）[4-5]，是一种基于GSM发展出来的新的数据承载业务，是英国BT Cellnet在1993年提出的，作为第二代移动通信到第三代移动通信系统的过渡[6]。互联网技术的迅速发展推动了用户对移动业务的需求增长，GSM协会预测,今后每年使用全球移动通信网传输的移动数据量将以40%至50%的增长率持续增长,给GPRS发展带来无限的机遇。全球范围内，移动用户的数量巨大，GSM用户大约占比40%，而GPRS基于GSM网络发展成形，优势巨大。GPRS具有传输速率高、接入速度快、永久在线、数据业务丰富、计费合理、覆盖范围广等优点[7-9]，受到广泛关注。GPRS网络提供广域的、端到端的无线IP连接, 使低成本的无线广域工业监控体系的构建成为可能。

GPRS在门禁控制系统中的应用[10]。基站的频繁失窃主要是缺乏有效的监督,传统的机械钥匙已无法满足日常管理的需要，建立一个安全、标准、高效的基站门禁管理系统尤为迫切。传统的门卡控制进出系统,遇到卡挂失、更改新卡和其他复杂的卡片管理情况都需要重新设置门卡读卡器，且读卡器暴露在恶劣的环境,很可能被自然和人为破坏，使得工作人员到达基站后也不能进入室内，造成了诸多不便。GPRS解决了传统IC卡、身份证识别带来的复杂的管理问题。基于GPRS的智能门禁控制系统能通过拨号或短消息验证出入人员，提高了系统的安全性，并且可以通过管理中心设置参数，实现关门做贼等操作。利用GPRS的数据传输功能还能实现警报地点的信息回馈，提醒安保人员赶往现场。

GPRS在定位系统中的应用。随着导航和定位技术的普及，带给人们便利的同时，人们对它的要求也逐渐增加。以往的GPS定位系统[11]虽然能够实现目标在全球范围内的跟踪，但是障碍物的遮掩和阻挡常常对卫星信号产生干扰，导致定位精度下降甚至无法导航。移动通信网络的进步带动了GPRS/GSM网络在定位系统业务上的拓展，它覆盖范围广，并且能将位置信息回馈给终端，恰好能弥补GPS定位的不足之处。中国科学院计算技术研究所的江西瑞[12]提出了一种基于GPS和GPRS互补的定位系统，集成GPS和GPRS的双定位终端，结合两者的优点，既实现了定位范围的扩大，也提高了定位的精度；同时支持短消息和GPRS两种定位数据传输方式，保证了数据可靠性，并且使用GPRS传输数据能节省数据传输的费用。

GPRS应用于改善无线远程测控终端。远程测控终端（RTU），在工业现场的数据采集和监控中应用广泛，主要负责采集处理现场收集的数据信息并回馈到监控管理中心，监控系统通过分析数据，实现监控管理。以往使用移动提供的短消息服务（SMS）业务，监控中心虽然能无线接受现场数据，但存在数据的完整性不能保证、传输延迟的不确定性和高费用的缺点，局限性较高。应用GPRS技术后，其特有的分组数据交换技术，区别于GSM的拨号方式[13]，通过合理利用无线传输通道，保证了数据的传输速度和速率，延迟也较为稳定，且GPRS按流量计费的方式降低了厂家的运营成本投入，易于被市场接受。但该方法也有缺陷，当网络拥堵时，RTU无法连接网络会造成数据丢包，为此清华大学的精密仪器与机械学系的陈琦、李成等人设计了一款GPRS和GSM互补通讯的低功耗RTU，将GPRS和GSM的SMS优势互补，得到更可靠地RTU，满足用户和市场的需求[14]。

RS485和GPRS应用于远程监控和信息化集中管理系统[15]。RS485现场总线系统采用全分布控制方式,智能设备通过总线联系在一起构成网络系统，是新型的自动化系统，具有统一、开放的通信协议，在工业领域应用广泛。RS485网络通过双绞线完成数据的传输和接收，且接口传输距离可达1千米以上，通过继电器还可延伸、扩展网络。基于RS485现场总线的监控系统具有高可靠性、实时性好的特点。但远距离布线实现网络的扩展时，线路中继电器的电源供给是个重大难题，增加了维护和管理费用。随着GPRS网络技术的不断发展和完善，GPRS对有线传输造成了一定冲击，可能更多地应用于信息管理系统。通过RS485现场总线系统和GPRS网络相结合，既解决了现场总线扩展产生的布线和维护问题，又保留了其原有的可靠性和实时性的优点，使之成为一个更加合理的远程监控和信息管理系统。

RS485和GPRS应用于消防应急系统中。随着人口的增加和住房建筑规模的扩大，简单的近距离通信已经不能满足即时监控和集中统一管理的需求。山东电子职业技术学院的郭建勤, 陈双提出了一种由RS485和GPRS构成消防应急系统异构网的思路[16]，具体实施方式是：近距离的电源系统监控采用成本低、通信简单的RS485，当消防应急电源收到监控中心的请求时，通过RS485将自身的状态送给监控中心，实现实时监控；远距离时则采用GPRS，充分利用其优点，实现对远距离终端的监控管理。消防应急电源经过GPRS模块与移动基站建立网络连接，接入服务器根据IP地址或其他对应关系将监控中心的数据请求指令下达到终端，GPRS终端将数据通过网络发送至监控中心，完成实时监控。

华南理工大学的罗飞、曹建忠等人设计的基于ARM平台和GPRS的远程监控系统，能通过ARM嵌入式处理器完成以太网协议和GPRS协议之间的转换，从而实现数据传输，利用当前技术水平相当成熟的GPRS技术完成远程无线通讯[17]。该系统终端的主要原理如下：指令转发，GPRS的初始化及其他操作、还有接口的协议转换主要由主CPU完成。当外部请求采集数据或进行I/O操作时，上位机通过GPRS发送数据到主CPU，主CPU接收后，先解包后将其中的数据部分传给从CPU，之后从CPU对数据进行相关处理操作返回数据到主CPU，主CPU对数据封装后反馈给上位机。主CPU对GPRS模块的初始化等操作通过AT指令完成，网络连接成功过后，上位机可以联网查看监控画面[18]。

众多事实证明了GPRS的广阔市场以及发展前景。武汉大学通RS232-RS485转换器实现了多机通信系统，通过电平转换电路自定义通信协议，成功使RS232和RS485能进行数据交换，完成通讯[19]。因此，通过协议转换器完成不同串口信号的转换具有很高的可行性和广泛应用性。GPRS灵活、快速、便捷的优点，弥补了有线通讯在一些场合的不足之处以及RS485串口在工控领域的普遍应用，证实RS485-GPRS转换器的巨大市场潜力。且市面上的RS485-GPRS转换器中的GPRS模块都需要另外设置协议层，开发使用极为繁琐复杂，于是利用一款自带通信协议的GPRS模块设计的RS485-GPRS转换器具有一定实用性和现实意义。

1.3 主要研究工作

该课题的主要研究内容是基于STM32单片机设计一个RS485-GPRS转换器，实现信号转换的功能。大致过程如下：设备传送数据到RS485接口，通过转换模块转换为STM32单片机能识别的数据形式传输到单片机上，然后通过软件设置访问，允许GPRS从STM32读取数据，并按照TCP/IP协议输出新的数据形式。

2 MODBUS协议和GPRS原理

2.1 MODBUS协议

2.1.1 MODBUS协议简述

Modbus协议本身没有公认的物理层，常用模式包括ASCII、RTU、TCP等，RTU模式指明了信息、数据传输的帧结构、指令和应答方式。该协议不考虑通信的方式，仅仅对传输中能被控制器认可的信息结构给出了定义。Modbus的工作模式采用主从方式，首先主机端向从机发出数据请求，从机端接收请求信号后响应查询并发送数据到主机端。Modbus协议通常使用奇偶校验或RTU模式特有的CRC错误检测排除传输中可能发生的数据错误。由于Modbus采用主从响应方式接收数据，当某一从机端发生故障导致断线后，主机端可以检测到并停止数据传送，当故障排除后，网络可自动连接，展现了Modbus很好的可靠性。

2.1.2 查询—回应周期

1）查询

查询信号中的功能代码包含了需要从机执行的功能。数据段是对执行功能信息的补充，包含了一些附加信息。

2）回应

从机的回送信息中的功能码是查询信息中功能码的回应。从设备按照要求采集的数据信息包含在数据段中。有错误产生时，描述错误信息的数据段将代替功能代码返回。主机可以通过错误检测域确认信息是否出错。

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