摘 要

本文在实际科研项目的背景下，通过对数显表培训系统的分析和研究，结合某电厂操作人员培训的实际需要，在详尽分析数显表培训系统的基础上构建了网络化的培训系统并且完成了数显表培训系统地址分配器的设计。

本文首先论述了本研究课题的相关背景和研究的重要意义，对海内外数字显示仪表培训系统的现况做了简要的说明，详细分析了数显表培训系统的原理及组成，对数显表培训系统地址分配器的硬件进行设计，着重阐述了数显表培训系统地址分配器的组成，包含地址分配器的供电电源设计、地址分配器的主控制器、以太网通讯电平转换芯片、RS-485通讯接口芯片，并采用目前流行的电子电路设计软件Altium Designer进行原理图与印刷电路板（PCB）的设计，最后进行实际电路板加工和软硬件调试。

硬件设计是基于ST MCU的32位Cortex-M4内核的芯片STM32F407ZET6，片上集成有SPI通信硬件、ADC和DAC转换单元及定时器等丰富的外部设备硬件资源；其次对以太网接口芯片和RS-485的外围硬件电路及其功率驱动电路进行详尽的设计。系统软件主要包括主程序，以太网芯片驱动程序，RS-485传输协议程序，数据包处理等；最后完成了数显表培训系统地址分配器的硬件和软件联调，对该系统进行了初步实验，为今后更加深入研究数显表系统的设计与研究建立了一个良好的软硬件开发平台。

最后，本文就基于数显表培训系统地址分配器的特点和实现的功能，进行了简要归纳与展望。

关键词：数显表；地址分配器；以太网；RS-485；STM32F407ZET6

Abstract

Under the background of the actual project,  digital display instrument training system was  analyzed and studied, combined with the actual needs of the operator's training in power plant, in the detailed analysis of digital display meter training system based on the constructed network tr-aining system and the design of digital display instrument training system address allocator was completed.

In this paper, the background and significance of this topic was firstly discussed , the develo-pment status of display instrument training system at domestic and abroad was illustrated brieflyThe principle and composition of digital display instrument training system was analyzed in deta-il.  The digital display instrument training system address distributor hardwarethe was designed .Then the  focuse was on the composition of digital display instrument training system address di-stributor, including design of power supply ,  main controller of distributor address, Ethernet co-mmunication chip, RS-485 communication interface chip, and the  EDA software Altium Design-er was used to carry out the schematic and printed circuit board (PCB) design. Finally software and hardware debugging  was carried out on the  circuit  board.

STM32F407ZET6 was chosen as the controller ,which is  a 32 bit MCU from ST corporation with cortex-m4 processor core. There are a lot of on-chip integrated peripheral on it. such as SPI, ADC, DAC and timer ; Ethernet interface chip and RS-485 peripheral hardware circuit and driving circuit was designed. The system software consists of main function, Ethernet chip driver, RS-485 communication protocol, data packet processing and so on . Finally, The hardware and software debugging of  the digital display instrument training system address distributor was finished, which has  establish a good hardware and software development platform  for the future more in-depth study of digital instrument display system.
 Finally, based on the characteristics and functions of the digital display instrument training system,  a brief summary and prospect was done in this paper.

Key words: Digital Display Instrument; Address Dispenser; Ethernet; RS-485; STM32F407ZET6

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.2 国内外研究现状和发展趋势 2

1.3 研究内容与重点 3

1.4 本文章节安排 3

第2章 数显表培训系统地址分配器分析及方案 5

2.1 数显表系统地址分配器分析 5

2.1.1数显表系统总体结构 5

2.1.2上位机系统 5

2.1.3可联网数显表 6

2.1.4地址分配器 6

2.2 数显表系统地址分配器方案对比与选择 6

2.2.1微控制器 6

2.2.2以太网接口芯片 7

2.2.3 RS-232与RS-485 7

2.3 本章小结 8

第3章 数显表培训系统地址分配器硬件电路设计 9

3.1 硬件设计的原则与要求 9

3.2 数显表培训系统地址分配器硬件的总体设计 10

3.3 系统电源电路的设计 10

3.4 微控制器电路的设计 12

3.4.1 STM32F407ZET6最小系统电路 12

3.4.2 STM32F407ZET6输入输出引脚分配电路 13

3.4.3 MCU辅助调试电路 15

3.5 以太网芯片W5500接口电路的设计 15

3.5.1 W5500石英晶体振荡电路 15

3.5.2 W5500与STM32F407ZET6接口设计 15

3.5.3 RJ45接口设计 16

3.5.4 W5500外围其他电路设计 16

3.6 RS-485通信接口电路和驱动电路的设计 17

3.6.1 RS-485通信接口电路 17

3.6.2缓冲驱动电路 18

3.7 系统抗干扰设计 18

3.7.1隔离电路 19

3.7.2保护电路 20

3.7.3其他抗干扰措施 20

3.8 本章小结 21

第4章 数显表培训系统地址分配器软件设计 22

4.1 软件设计的原则与要求 22

4.2 数显表培训系统地址分配器软件设计的流程图 23

4.3 地址分配器底层软件驱动 26

4.3.1 STM32F407xx驱动 26

4.3.2以太网接口芯片W5500驱动 28

4.3.3 RS-485的接口驱动配置 31

4.4 地址分配器的通信协议 33

4.4.1系统上位机与地址分配器之间的通信协议 34

4.4.2可联网数显表与地址分配器之间的通信协议 34

4.5 地址分配器的应用程序 36

4.6 本章小结 37

第5章 系统测试与实验 38

5.1 系统测试方法 38

5.2 实验验证 40

5.3 实验结果分析 40

5.4 本章小结 41

第6章 总结与展望 42

参考文献 43

附录A 数显表培训系统地址分配器电路原理图 45

致 谢 46

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

数显表全称数字显示仪表，区别于以前的模拟指针式显示仪表，是一种用于显示的数字电子显示仪表。目前它在社会的各行各业均有广泛的应用，因为它的显示数据精确度高并且显示结果一清二楚，以至于现代在很多应用场合已经完全取代了早期的指针式模拟显示仪表^[1]。从家中的电子钟表到工厂用的电子显示控制仪表，无论是对时间的把握还是对产量的控制都提供了高精准的数字显示，完全用数字量替换了模拟量。

从广义上讲，街头到处可见的大小屏幕数字计时牌交通信号灯，车站的车次显示牌、工厂的数控显示表等等都是数字显示仪表的范围，其应用非常的广泛，大可以到卫星的监控数据、小可以至手腕上的穿戴式电子手表，可以这样说在现代和未来的社会里，它的身影将无处不在。数字显示仪表的数字显示通常是采用LED发光管或者液晶屏幕这两种手段来完成。工业、交通上一般均是采用LED发光管的数字显示仪表，究其原因是LED的光源比一般的光源亮，有很多种颜色，特别是红色，非常容易辨别。电流数字显示仪表、电压数字显示仪表、光栅数字显示仪表、压力数字显示仪表、变频器转速数字显示仪表、传感器数字显示仪表、频率数字显示仪表等很多，它们的最主要的作用就是起到监测通知显示的作用^[2]。液晶显示一般是用在家用钟表，由于其自身并不发光，因此十分省电节能。家用的数字显示仪表主要是手表和时钟。

数显表在工业现场上广泛运用于PLC数据的采集及其显示。现在文本编辑器和触摸屏的出现，以及其优越的价格都冲击着现在的数显表市场，但是数显表卓越的地位和高的性价比仍然不能被其取代。因为数显表在复杂和强干扰的工业现场环境下，其显示是通过LED发光管来发光，让工作人员一目了然，从较远的地方都可以清楚地辨认出所要查看的数据，但是文本编辑器和触摸屏这类的数字显示仪表字体很小且亮度不够高，所以并不可以取代数显表。两线式的PLC数显表问世也为现在的数显表工业用途开拓了广泛的前景，摆脱了普通PLC数显表占用太多数据控制端口的困扰，不仅方便了硬件连接，在PLC端的软件方面也更加模块化和集成化，成为目前工程师对PLC数据显示的首选^[3]。