一種實(shí)用的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)
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一 引言
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/21031.htm液體的液位測量在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣，例如：自來水位的測量和控制，石油管道和儲油罐的油位的測量等。高精度的傳感器可用于這些測試系統(tǒng)中來感知傳遞壓力、流量、 溫度等信號，把這些信號變成電信號，然后經(jīng)過放大、a/d轉(zhuǎn)換、送入單片機(jī)處理后，最后發(fā)送到遠(yuǎn)方的pc機(jī)，這樣可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的液位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而向被控單元發(fā)出指令，采取相應(yīng)的動作。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下：
二 具體的實(shí)現(xiàn)過程
1. 放大部分：tlc4502－雙路自校準(zhǔn)低噪聲高速運(yùn)算放大器的應(yīng)用。
集成運(yùn)算放大器種類很多，在各類儀表及控制電路中要求運(yùn)算放大器必須具有高精度，高共模抑制比和低溫漂等性能。目前采用的精密運(yùn)算放大器都具有外接調(diào)零電位器輸入端，應(yīng)用時(shí)首先對其失調(diào)調(diào)零。由于電路復(fù)雜，給調(diào)試帶來不便。美國ti儀器公司研制生產(chǎn)的tlc4502精密型雙運(yùn)算放大器，采用自動校準(zhǔn)技術(shù)，在上電時(shí)將輸入失調(diào)電壓自動調(diào)整為零，使用起來十分方便，同時(shí)也節(jié)省了pcb板和外部分離元件，該器件的管腳排列如下圖所示：
tlc4502自動校準(zhǔn)運(yùn)算放大器在片內(nèi)利用對數(shù)字與模擬信號的處理，可在上電時(shí)輸入失調(diào)電壓自動校準(zhǔn)為零。完成自動校準(zhǔn)一般需要300ms的時(shí)間，連續(xù)校準(zhǔn)時(shí)可在（±）3μv范圍內(nèi)反復(fù)進(jìn)行。一旦校準(zhǔn)完成，大部分校準(zhǔn)電路將脫離信號通道并被關(guān)斷，這樣，校準(zhǔn)電路對信號通道幾乎無影響，這也使得tlc4502在校準(zhǔn)周期結(jié)束之后可以完全象其他精密運(yùn)算放大器一樣使用。
tlc4502具有高精度，高增益，良好的電源抑制比，驅(qū)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集，數(shù)字音頻，工業(yè)控制等領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，用來放大從傳感器出來的微弱信號，具體電路如圖１：
2． a/d轉(zhuǎn)換部分。tlc1549－帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。
從放大器出來的電壓信號進(jìn)入到a/d轉(zhuǎn)換器以形成單片機(jī)便于處理的數(shù)字信號。在該設(shè)計(jì)中，采用了美國ti公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器tlc1549。它采用cmos工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到（±）1lsb max(4.8mv)，占地面積小等特點(diǎn)。
其工作原理為：在芯片選擇（/cs）無效情況下，i/o clock最初被禁止且data out處于高阻狀態(tài)。當(dāng)串行接口把/cs拉至有效時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)序開始允許i/o
clock工作并使data out脫離高阻狀態(tài)。串行接 口然后把i/o clock 序列提供給i/o clock并從data out接收前次轉(zhuǎn)換結(jié)果。i/o
clock從主機(jī)串行接口接收長度在10和16個(gè)時(shí)鐘之間的輸入序列。開始10個(gè)i/o時(shí)鐘提供采樣模擬輸入的控制時(shí)序。在/cs的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的msb出現(xiàn)10個(gè)時(shí)鐘長度
，那么在10個(gè)時(shí)鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把data out拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常進(jìn)行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)/cs端高電平至低電平的跳變可終止改周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時(shí)要小心防于止/cs被拉至低電平。時(shí)序圖如圖２：
由于它采用串行輸出的方式，占地面積小，方便靈活，與單片機(jī)的接口也簡單，電路如圖３：
tlc1549 at89c51
該軟件部分為，其中，入口參數(shù)：使用累加器a，進(jìn)位標(biāo)志cy及工作寄存器r7；出口參數(shù)：20h單元存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位，21h單元存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2位。
aadccon： mov 20h，#00h
mov 21h，#00h ；結(jié)果單元清零
mov r7，#0ah ；a/d轉(zhuǎn)換位數(shù)標(biāo)志
clr p1.4 ；選通tlc1549
loop1： mov c，p1.0 ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果送至cy
mov a，20h ；轉(zhuǎn)換結(jié)果移至結(jié)果單元
mov 20h，a
mov a，21h
rlc a
mov 21h,a
setb p1.2 ；形成移位脈沖
clr p1.2
djnz r7，loop1 ；轉(zhuǎn)換結(jié)束否？
setb p1.4 ；tlc1549復(fù)位并進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換
ret ；上述程序執(zhí)行時(shí)間約120μｓ
3． ｒs485接口芯片部分－75lbc184
放大的電壓信號經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換由單片機(jī)處理后，要傳送到遠(yuǎn)方的pc機(jī)，以便達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中。目前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過rs485接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。但為了克服單片機(jī)的不足，引入了pc機(jī)，采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即pc機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
pc機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的rs232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：rs232采用負(fù)邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20m以內(nèi)的通信。而對于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，rs232接口不能滿足系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是rs485收發(fā)器。rs485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200mv的電壓，故傳輸信號在千米以外得到恢復(fù)。在這種分布式控制系統(tǒng)中，通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的問題。而如何有效可靠地實(shí)現(xiàn)rs232與rs485之間的轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)的前提。
在該設(shè)計(jì)中，使用了ti公司生產(chǎn)的一種rs485接口芯片75lbc184,它使用單一電源vcc，電壓在＋3～＋5.5v范圍內(nèi)都能正常工作，能完成ttl與rs485之間的轉(zhuǎn)換。其引腳如下圖所示：該芯片與普通的rs485收發(fā)器相比，有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)a、 b引腳接有高能量順變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400w（典型值）的過壓順變，故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為rs485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24ｋω），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器，其工作原理如圖4 所示。
在該設(shè)計(jì)中，經(jīng)過單片機(jī)處理的信號，經(jīng)過75lbc184與外圍電路形成的rs232/rs485電平轉(zhuǎn)換器電路，然后傳到遠(yuǎn)方的pc機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體實(shí)現(xiàn)的電路如圖５：
在該電路中，使用了三片光電耦合器tlp521進(jìn)行隔離，使得pc機(jī)與sn75lbc184之間完全沒有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性，其工作原理為：
當(dāng)rs232的rts端為邏輯電平1（－12v）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出電平為ttl的邏輯電平1（＋5v），選中rs485接口芯片的de端，容許rs485接收，這樣，rs232的txd端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（工作邏輯與rts端相似）。當(dāng)rs232的rts端為邏輯電平0（＋12v）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為ttl的邏輯電平0（0v），選中rs485接口芯片的re端，容許rs485發(fā)送。rs485的r端工作時(shí)，當(dāng)其輸出為邏輯電平1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，借助rs232輸出停止時(shí)其txd電平為－12v，電容被充電到－12v，使其輸出也為－12v，即邏輯電平1；當(dāng)其輸出為邏輯電平0，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，使其輸出也為＋5v，也在rs232邏輯電平0的范圍之內(nèi)，即為邏輯電平0。這樣，根據(jù)pc機(jī)和單片機(jī)之間的協(xié)議，就可實(shí)現(xiàn)二者交互式的通信。
4． 電源部分
電源的穩(wěn)定性是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)，在本設(shè)計(jì)中，所有的器件都采用常用的＋5v的電壓，為了提高電壓的穩(wěn)定性，采用了ti公司生產(chǎn)的固定正輸出、低壓差穩(wěn)壓器tl750l05。tl750l05必須有輸出電容，沒有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制上述現(xiàn)象，輸出電容的范圍在0.1uf~1uf內(nèi)。電路如圖６所示：
三 結(jié) 束 語
由ti公司的模擬產(chǎn)品tlc4502、tlc1549、sn75lbc184、tl750l05和atmel公司的單片機(jī)at89c2051構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，現(xiàn)已用于監(jiān)測石油管道的壓力，流量和溫度等參量，性能良好。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：面積小，占地為5cmχ6.5cm；性能好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)處理幾個(gè)物理參量，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；操作簡單方便。
附：該系統(tǒng)的實(shí)物圖。如下所示：
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