實(shí)用的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

液體的液位測(cè)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(cè)量和控制,石油管道和儲(chǔ)油罐的油位的測(cè)量等。高精度的傳感器可用于這些測(cè)試系統(tǒng)中來感知傳遞壓力、流量、 溫度等信號(hào),把這些信號(hào)變成電信號(hào),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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(duì)其失調(diào)調(diào)零。由于電路復(fù)雜,給調(diào)試帶來不便。美國(guó)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(dòng)校準(zhǔn)技術(shù),在上電時(shí)將輸入失調(diào)電壓自動(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)運(yùn)算放大器在片內(nèi)利用對(duì)數(shù)字與模擬信號(hào)的處理,可在上電時(shí)輸入失調(diào)電壓自動(dòng)校準(zhǔn)為零。完成自動(dòng)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(hào)通道并被關(guān)斷,這樣,校準(zhǔn)電路對(duì)信號(hào)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(dòng)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(hào),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(hào)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(hào)。在該設(shè)計(jì)中,采用了美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)單,電路如圖３：
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

rlc a

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(hào)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(jiǎn)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(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò),把多臺(tái)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(chǎng)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(duì)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(cè)低達(dá)200mv的電壓,故傳輸信號(hào)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(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng),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(hào),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(cè)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(jiǎn)單方便。