整理實用的分布式數據采集和控制系統(tǒng).doc

1、實用的分布式數據采集和控制系統(tǒng)引言 液體的液位測量在工業(yè)生產中非常普遍，應用領域也比較廣，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 經過放大、 A/D 轉換、送入單片機處理后，最后發(fā)送到遠方的 PC 機，這樣可實 現對現場的液位情況進行實時監(jiān)控， 從而向被控單元發(fā)出指令， 采取相應的動作。 整個系統(tǒng)的框圖如下：二 具體的實現過程1. 放大部分：TLC4502-雙路自校準低噪聲高速運算放大器的應用。集成運算放大器種類很多， 在各類儀表及控制電路中要求運算放大器必須具有高

2、精度，高共模抑制比和低溫漂等性能。 目前采用的精密運算放大器都具有外接調 零電位器輸入端，應用時首先對其失調調零。由于電路復雜，給調試帶來不便。美國TI儀器公司研制生產的TLC4502精密型雙運算放大器，采用自動校準技術， 在上電時將輸入失調電壓自動調整為零，使用起來十分方便，同時也節(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自動校準運算放大器在片內利用對數字與模擬信號的處理，可在上電時 輸入失調電壓自動校準為零。完成自動校準一般需要300ms的時間，連續(xù)校準時 可在（土）3V范圍內反復進行。一旦校準完成，大部分校準電路將脫離信號 通道并被關斷，這樣，校準電路對

3、信號通道幾乎無影響， 這也使得TLC4502在校 準周期結束之后可以完全象其他精密運算放大器一樣使用。TLC4502具有高精度，高增益，良好的電源抑制比，驅動能力強等特點，可廣泛 應用于數據采集，數字音頻，工業(yè)控制等領域。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轉換部分。TLC1549-帶串行控制的10位模數轉換器的應用從放大器出來的電壓信號進入到 A/D轉換器以形成單片機便于處理的數字信號。 在該設計中，采用了美國TI公司生產的10位模數轉換器TLC1549它采用CMOS 工藝，具有內在的采樣和保持，采用差分基準電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例 量程校準轉換范

4、圍，總不可調整誤差達到（土）1LSB Max（4.8mv），占地面積小等特點。其工作原理為：在芯片選擇（/CS）無效情況下，I/O CLOC最初被禁止且DATAOUT 處于高阻狀態(tài)。當串行接口把/CS拉至有效時，轉換時序開始允許I/O CLOCK工 作并使DATA OUT兌離高阻狀態(tài)。串行接 口然后把I/O CLOCK序列提供給I/O CLOCKS從DATA3UTS收前次轉換結果。I/O CLOCKS主機串行接口接收長度在 10 和 16 個時鐘之間的輸入序列。開始 10 個 I/O 時鐘提供采樣模擬輸入的控制 時序。在/CS的下降沿，前次轉換的 MSB出現10個時鐘長度，那么在10個時 鐘的

5、下降沿，內部邏輯把 DATA OU拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常 進行的轉換周期內，規(guī)定時間內 /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)（輸出數據寄存器的內容保持為前次轉換結果） 。由于可能破壞 輸出數據，所以在接近轉換完成時要小心防于止 /CS 被拉至低電平。時序圖如圖2:由于它采用串行輸出的方式，占地面積小，方便靈活，與單片機的接口也簡單，電路如圖3:該軟件部分為，其中，入口參數：使用累加器 A,進位標志CY及工作寄存器R7; 出口參數：20H單元存放轉換結果的低8位，21H單元存放轉換結果的高2位。AADCCO：N MOV 20H， #00HMOV 21H，

6、 #00H ;結果單元清零MOV R，7 #0AH ; A/D 轉換位數標志CLR P1.4 ;選通 TLC1549LOOP：1 MOV C， P1.0 ;讀轉換結果送至 CYMOV A， 20H ;轉換結果移至結果單元RLC AMOV 20H，AMOV A，21HRLC AMOV 21H,ASETB P1.2 ；形成移位脈沖CLR P1.2DJNZ R7 L00P1;轉換結束否？SETB P1.4 ；TLC 1 549復位并進行一次轉換RET;上述程序執(zhí)行時間約120s3. R S485 接口芯片部分75LBC184放大的電壓信號經過A/D轉換由單片機處理后，要傳送到遠方的 PC機，以便達

7、到實時監(jiān)控的目的。 以單片機為主體構成的分布式數據采集和控制系統(tǒng)， 因為其 電路結構簡單， 工作可靠性高而被廣泛應用在工業(yè)控制中。 目前廣泛使用的單片 機產品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過RS485接 口驅動芯片就 可以構成總線型通信網絡， 把多臺單片機系統(tǒng)連接成一個分布式數據采集和控制 系統(tǒng)。但為了克服單片機的不足，引入了 PC機，采用主從式結構模式，即PC機 為主機，分布在現場的各個單片機系統(tǒng)為從機，其結構如下圖所示。PC機串行口為標準的RS232口，根據標準規(guī)定：RS232采用負邏輯，并且傳輸距 離短，一般用于20m以內的通信。而對于大多數分布式控制系統(tǒng)， 通信距離為幾 十

8、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200mv的電壓，故傳輸信號在 千米以外得到恢復。在這種分布式控制系統(tǒng)中， 通信是系統(tǒng)的關鍵， 是系統(tǒng)設計 時首要考慮的問題。而如何有效可靠地實現RS232與 RS485之間的轉換是系統(tǒng)通 信實現的前提。在該設計中，使用了 TI公司生產的一種RS485接口芯片75LBC184,它使用單一 電源Vcc,電壓在+ 3+ 5.5V范圍內都能正常工作，能完成 TTL與RS485之間 的轉換。其引腳如下圖所

9、示：該芯片與普通的RS485收發(fā)器相比，有一個顯著的 特點，那就是片內 A、B引腳接有高能量順變干擾保護裝置，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)境比較惡劣的現場， 可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。 該芯 片還有一個獨特的設計，當輸入端開路時， 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， 不影響系統(tǒng)的正常工作。 另外，它的輸入阻抗為 RS485 標準輸入阻抗的2倍(24KQ)，故可以在總線上連接64個收發(fā)器，其工作原 理如圖 4 所示。在該設計中，經過單片機處理的信號，經過75LBC184與外圍電路形成的

10、RS232/RS485電平轉換器電路，然后傳到遠方的 PC機進行實時監(jiān)控。具體實現 的電路如圖5:在該電路中，使用了三片光電耦合器TLP521進行隔離，使得PC機與SN75LBC184 之間完全沒有了電的聯系，提高了工作的可靠性，其工作原理為：當RS232的RTS端為邏輯電平1 (- 12V)時，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管 不導通，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)送數據(工作邏輯與 RTS端相 似)。當RS232的RTS端為邏輯電平0 (+ 12V)時，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)

11、光，光敏三極管導通，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，當其輸出為邏輯電平 1時， 光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光， 光敏三極管不導通，借助RS232輸出停止時其 TXD電平為一12V,電容被充電到一12V,使其輸出也為一12V,即邏輯電平1;當 其輸出為邏輯電平 0，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，使其輸 出也為+ 5V,也在RS232邏輯電平0的范圍之內，即為邏輯電平 0。這樣，根據 PC機和單片機之間的協議，就可實現二者交互式的通信。4 電源部分電源的穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)能夠正常工作的基礎， 在本設計中， 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， 可以抑制上述現象，輸出電容的范圍在 0.1uF1uF內。電路如圖6所示