基于RS485現場總線的溫度采集模塊的設計

1、河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院Henan Polytechnic institute 畢業(yè)設計（論文） 題目：溫度采集器班級：生產過程自動化0901姓名：指導老師： 摘 要溫度是現代工業(yè)生產過程中的一個重要參數, 在生產過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控，特別是在電力、化工等大型自動化企業(yè)的生產過程中往往需要監(jiān)視和測量幾十個溫度參數。在某些特殊的生產場合 (比如印染和煉油)，溫度參數測量和控制的精度直接影響后續(xù)產品的質量。本文介紹一種基于RS485現場總線的溫度采集模塊的設計方法。熱電阻隨溫度的變化而產生不同的電阻信號，電阻信號經過恒定電流變成模擬電壓信號，單片機內部多路模擬開關電路對模擬

2、信號進行采集，A/D轉換模塊對采集到的信號進行模數轉換，把轉換得到的數字信號按照順序分別送入單片機，單片機通過RS485現場總線實現與PC機的掛接。由于電阻值與溫度值之間是非線性關系，為了提高測量精度克服非線性誤差，減少分度表的存儲量，采用二次插值算法計算溫度數值，使測溫分辨率達到了0.05，測溫精度優(yōu)于0.1。單片機通過現場總線能夠把溫度值以MODBUS協(xié)議的形式發(fā)送給PC機，實現了工控計算機的現場總線集中管理。關鍵詞：溫度采集；PT100熱敏電阻；RS485總線AbstractTemperature is the process of modern industrial productio

3、n as an important parameter, in the production process often required to detect and monitor the temperature, especially in the electricity, chemical industry and other large enterprises, automation of production processes often require dozens of monitoring and measuring the temperature parameters. P

4、roduction in some special occasions (such as printing and dyeing and refining), temperature measurement and control parameters directly affect the accuracy of follow-up to the quality of the product.In this paper, based on the temperature RS485 fieldbus module design method of collection. Thermal re

5、sistance with temperature changes in the resistance of different signals, resistance constant current signal into the analog voltage signal, single-chip multi-channel analog switches internal circuitry of the analog signal acquisition, A / D converter module of the signal collected analog-to-digital

6、 conversion, to convert digital signals received, respectively, in accordance with the sequence into single-chip, single-chip RS485 fieldbus through with PC-articulated.As the resistance value and temperature is non-linear relationship between, in order to improve the measurement accuracy to overcom

7、e the non-linear error, reducing the index storage table, the use of quadratic interpolation algorithm for calculating the temperature value, so that the temperature resolution of 0.05 , temperature measurement accuracy of better than 0.1 . Single-chip microcomputer through fieldbus temperature in o

8、rder to be able to MODBUS agreement sent to the PC, the realization of the Industrial Fieldbus computer for centralized management.Key words: Temperature acquisition; PT100 Thermistor; RS485 bus目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1設計的背景及意義11.2溫度采集技術現狀2第2章 設計方案選擇與論證42.1設計要求及技術指標42.2 系統(tǒng)總體方案設計42.3溫度傳感器的選擇52.3.1

9、熱電阻溫度傳感器52.3.2集成電路(IC) 溫度傳感器52.3 通信接口的選擇62.3.1 RS-232雙機通訊接口62.3.2 RS-422串行通訊接口62.3.3 RS-485串行通訊接口62.4單片機的選擇7第3章 硬件設計83.1單片機接口電路83.2溫度信號采集電路83.2.3恒流源電路仿真103.3 RS485接口通信電路113.4 6N137光電隔離電路113.5開關電源電路123.5.1 PWM芯片TOP220工作原理123.5.2開關電源電路及工作原理13第4章 軟件設計164.1 溫度值計算164.2 MODBUS現場總線協(xié)議164.3主程序流程框圖184.4系統(tǒng)初始化子

10、模塊程序設計184.5串口通信子模塊程序設計18第5章 使用工具介紹205.1電子設計工具ProtelDXP205.2仿真工具Multisim924第6章 結 論27參考文獻28附錄A PT100鉑電阻的溫度和阻值對應關系表29附錄B總體電路原理圖31致 謝32第1章 緒論1.1設計的背景及意義溫度是現代工業(yè)生產過程中的一個主要參數，在生產過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控，特別是在電力、化工等大型自動化企業(yè)的生產過程中往往需要監(jiān)視和測量幾十個溫度參數。在某些特殊的生產場合 (比如印染和煉油 )，溫度參數測量和控制的精度直接影響后續(xù)產品的質量。自從1976年Intel公司推出第一批單片機以來，80

11、年代單片機技術進入快速發(fā)展時期，近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展，從4位、8位單片機發(fā)展到16位、32位單片機。單片機主要用于控制，它的應用領域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機都可以大顯其能。單片機在國內的三大領域中應用得十分廣泛：第一是家用電器業(yè)，例如全自動洗衣機、智能玩具；第二是通訊業(yè)，包括電話、手機和BP機等等；第三是儀器儀表和計算機外設制造，例如軟盤、硬盤、收銀機、電表。除了上述傳統(tǒng)領域外，汽車、電子工業(yè)在國外也是單片機應用十分廣泛的一個領域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能靈活的組裝成各種智能控制裝置，由它構成的

12、智能儀表解決了長期以來測量儀器中的誤差的修正、線性處理等問題?，F場總線是將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，遵循ISO的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。FCS則是用開放的現場總線控制通訊網絡將自動化最底層的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時網絡控制系統(tǒng)。現場總線系統(tǒng)由于采用了智能現場設備，能夠把原先DCS中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置于現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。 DCS隨著計算機、控

13、制、網絡通信、組態(tài)軟件、信息集成和數據庫技術的發(fā)展而不斷更新和發(fā)展，主要體現在以下幾個方面：（1）信息化：DCS已從單一的控制系統(tǒng)，發(fā)展為集控制和管理于一體的綜合信息系統(tǒng)。DCS提供了從生產現場到車間，再從工廠到公司，最后到企業(yè)集團的整個信息通道，充分體現了信息的全面性、準確性和實時性。（2）集成化：DCS已從單一封閉系統(tǒng)，發(fā)展為集成各類PLC、工業(yè)PC、數字化儀表和設備，甚至不同型號DCS可以互相集成和信息共享，為最終用戶提供集成化綜合系統(tǒng)。（3）智能化：隨著人工智能、專家系統(tǒng)、自適應、預測和推理等先進控制技術的發(fā)展和應用，DCS也適時地融合這些新技術，實現先進的智能化控制功能。（4）開放式

14、網絡：DCS已從單一封閉網絡，發(fā)展為開放式網絡系統(tǒng)，通過互聯網技術和IE瀏覽器，可以訪問過程畫面、查詢數據、管理調度和指揮生產。開放式網絡的關鍵是網絡安全，傳統(tǒng)DCS采用軟件防火墻，現代DCS不僅有軟件防火墻，而且有硬件防火墻，既保證網絡安全開放，又保證監(jiān)控層的實時性。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300的控制站采用硬件防火墻技術。（5）容錯以太網(FTE)：傳統(tǒng)DCS用兩條獨立網絡(A，B)實現冗余，兩臺設備之間只有一條通信路徑，其本質是單條網絡運行，故障時整條網絡切換(A到B或B到A)，切換時間長，可靠性低。現代DCS用容錯以太網(FTE，Fault Toler

15、ant Ethernet) 。（6）無線網絡技術：支持手持移動無線操作站，將無線技術與控制技術融為一體，進行現場操作監(jiān)控、故障處理和儀表校驗，實現操作與維護的無縫集成。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此無線網絡技術。（7）數字視頻技術：通過攝像頭采集現場圖像信息，再通過圖像識別軟件，進行圖像處理，發(fā)現異常圖像，立即發(fā)出報警信號，具有自動錄像和錄像回放功能，便于事故分析，并將數字視頻技術與操作監(jiān)控軟件融為一體。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此數字視頻技術。（8）先進控制站：DCS的基礎是控制站，為了進一步提高控制站的可靠性

16、、穩(wěn)定性和安全性，增強控制站的功能，而采用了一系列先進技術。例如，控制站采用無底板模塊結構，獨立傾斜式垂直插拔，散熱效果好，接線維護方便；采用容錯以太網(FTE)，硬件控制防火墻(冗余)，冗余控制器、冗余I/O、冗余電源、冗余現場總線接口；采用先進的預估控制算法，魯棒性好，具有參數自整定功能。Honeywell公司的Experion PKS R300控制站是上述先進控制站的代表之一。隨著現代信息技術的飛速發(fā)展，溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)、農業(yè)及人們的日常生活中扮演著一個越來越重要的角色，它對人們的生活具有很大的影響，例如：在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、機械制造和食品加工等許多領域中，人們都需要對

17、各類加熱爐等溫度進行采集和控制。溫度采集與控制，在保證產品質量、節(jié)約能源和安全生產等方面起著關鍵的作用。1.2溫度采集技術現狀 隨著電子技術的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，那么可編程控制器的出現則是給現代工業(yè)控制測控領域帶來了一次新的革命。在現代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產方面，其作用也體現到了各個方面。 隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務于社會目前，單片機控制器在從生活工具到工業(yè)應用的各個領域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產中的現場控制儀表、

18、數控機床等。尤其是用單片機控制器改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的特點。 現代工業(yè)設計、工程建設及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產品了。第2章 設計方案選擇與論證2.1設計要求及技術指標本課題要求設計出能夠支持MODBUS協(xié)議的RS485現場總線通信的熱阻型溫度采集模塊，該模塊能夠通過現場總線與工控計算機掛接。技術指標：1.輸入信號：PT100；2.測溫分辨：0.05；3.測溫精度: 0.1；4.供電電源：220VAC10%

19、；5.環(huán)境溫度：-4585；6.環(huán)境濕度：85%；7.通信方式：RS485現場總線。2.2 系統(tǒng)總體方案設計針對本課題的研究內容是設計一款測量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工業(yè)現場總線協(xié)議的溫度采集模塊。該溫度采集模塊能夠對6點溫度進行實時采集，采用支持MODBUS工業(yè)現場總線協(xié)議的RS485光電隔離接口與PC機進行通信。基于以上功能，具體設計方案如圖2-1所示。220VACC8051F410單片機多路模擬開關RS485接口電路PC機開關電源電路PT100(1)信號放大(1)信號放大(2)PT100(2)PT100(6)信號放大(6). . .+5V-5VGNDA/D接口圖2-1

20、 實施方案原理框圖根據上述研究內容和技術要求，采用圖2-1所示設計方案。在圖2-1中包含采集放大電路，主控單元，RS485接口電路，電源電路等4個主要功能模塊。采集放大電路：將熱電阻信號轉換為0-2v的模擬電壓信號,用來測量溫度；主控單元：采用C8051F410單片機作為整個電路的核心,控制采集通道的選擇,數據的處理并與RS485接口電路相連接,進行數 據的傳輸和通信；RS485接口電路：實現PC機與現場總線模塊之間的通訊；電源電路：將220VAC通過開關電源穩(wěn)壓電路輸出+5V和-5V電壓,給模塊中的各部分電路提供工作電源。其中，采集放大電路采用三線制接線法，來消除導線引入的測量誤差。因為C8

21、051F410單片機中自帶A/D轉換接口，因此不需要單獨設計A/D轉換電路。2.3溫度傳感器的選擇2.3.1 熱電阻溫度傳感器熱電阻是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：1測量精度高。因熱電阻直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。2測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電阻最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。3構造簡單，使用方便。熱電阻通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。2.3.2集成電路(IC) 溫度傳感器集成電路(IC) 溫度傳感器性能離散度很大, 用于高精度測量時, 必須進

22、行校準。測溫鉑電阻溫度系數的離散度很小, 精確度高, 靈敏度也較好, 特別適用于1000 度以下的溫度測量, 但價格昂貴。集成電路溫度傳感器利用了半導體PN 結電流電壓特性和溫度的相關性, 和熱敏電阻、熱電偶相比, 最大優(yōu)點是輸出線性好, 測溫精度較高。感溫部分、傳感器驅動部分、信號處理部分等電路均集成化并封閉在一個小型管殼內, 使用方便。題目設計要求輸入信號為PT100；測溫分辨為0.05；測溫精度為0.1；綜合以上因素考慮選擇熱電阻溫度傳感器(PT100)。PT100鉑電阻的溫度和阻值對應關系見附錄A2.3 通信接口的選擇2.3.1 RS-232雙機通訊接口目前RS-232是PC機與通信工

23、業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。如果雙機通訊距離在30m之內，可利用RS-232標準接口實現點對點的雙機通訊。2.3.2 RS-422串行通訊接口RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。典型的RS-422是四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通

24、信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是104k+100（終接電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。RS-422的最大傳輸距離為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的

25、特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。2.3.3 RS-485串行通訊接口由于RS-485是從RS-422基礎上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信，而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現點對多的通信，即只能有一個主（Master）設備，其余為從設備，但它比RS-422有改進， 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設備。RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不

26、同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗為12k，RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s RS-485需要2個終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需

27、終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。綜上所述，RS-232雙機傳輸距離太短，故不采用。RS-422A雙機通訊需四芯傳輸線，這對工業(yè)現場的長距離通信是很不經濟的，因此采用RS-485串行通訊接口。2.4單片機的選擇C8051F410 MCU 在 CIP-51 內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數字外設獨立于微控制器工作，只在必要時中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率，并使多任務實時系統(tǒng)的實現更加容易。 C8051F410內部有一個12位SAR ADC和一個27通道單端輸入多路選擇器，

28、該ADC的最大轉換速率為200ksps。 ADC系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的輸入。端口02可以作為ADC的輸入；另外，片內溫度傳感器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。用戶固件可以將ADC置于關斷狀態(tài)或使用突發(fā)模式以節(jié)省功耗。C8051F410內部 24個I/O引腳，端口引腳被組織為三個8位端口。端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為數字或模擬I/O引腳。被選擇作為數字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被單獨或總體禁止，以降低功耗。根據設計要求，只需一個全雙工串行接口，一個

29、A/D轉換電路，一個多路模擬開關電路，因此C8051F410單片機足以滿足控制要求，功耗較低。因此選擇C8051F410 單片機作為主控制器。第3章 硬件設計本設計硬件電路由采集放大電路，主控單元電路，RS485通信接口電路，光電隔離電路，穩(wěn)壓電源電路組成，總體硬件電路圖見附錄B。3.1單片機接口電路C8051F410單片機接口如圖3-1。圖3-1 C8051F410單片機VDD為內核電源，VIO為I/O電源，GND為地。 VRTC-BACKUP為smaRTClock后備電源，P1.0- P1.5為6路模擬信號的接收端，R（P0.5）、T（P0.4）為數字串口的接收和發(fā)送端，C2D和C2CK是

30、JTAG下載調試接口。VCC為5.0V電源接口。GND為地接口。XTAL3端口為smaRTClock振蕩器晶體輸入端，XTAL4端口為smaRTClock振蕩器晶體輸出端。3.2溫度信號采集電路熱敏電阻溫度采集模塊由精密穩(wěn)定恒流源電路，熱敏電阻PT100構成的信號采集電路，A/D轉換電路構成。熱敏電阻PT100根據溫度信號變化電阻阻值發(fā)生變化，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量，在熱敏電阻PT100組成的采集電路加一恒定電流，產生一個模擬的電壓信號，經過A/D轉換成單片機可以識別的數字信號，輸入單片機進行處理。熱電阻測溫模塊原理框圖如圖3-2。精密穩(wěn)定恒流源由熱電阻PT100構 成

31、的信號采集電路A/D轉換電路單片機恒定電流溫度信號 模擬電壓信號 數字電壓信號3-2 熱電阻測溫模塊框圖熱電阻PT100的三線制接法測量電路如圖3-3所示為消除引線引入的測量誤差 , 熱電阻的測量采用三線制接法。圖3-3熱電阻信號測量電路在圖3-3中,由于R12 +R13RT+2R,R15+RR則有V2= I ( KT + 2 R) (3-1)V1= I R (3-2)V4= V3=1/3V2 (3-3)(V1-1/3*V2)/R15=(1/3*V2-V0)/(R23+R19) (3-4)V0=(R24*VR1)/(R17+R24) (3-5) 帶入各電阻值整理得: VR1=11*I*RT (

32、3-6) V0=I*RT (3-7)由式(3-7)可見, 熱電阻測量電路的輸出電壓僅與電流I和熱阻RT有關 ,與r無關,消除了由導線電阻引入的測量誤差。本設計采用由LM258構成的精密恒流源電路。在圖3-3中3腳電壓為V+，2腳電壓為V-，輸出電壓為Vo，則由虛斷可知V+ = V-，虛短可知I+ = I-。所以有： （3-8） （3-9） 將式（3-9）代入式（3-8）得 V，所以恒流源輸出電流1mA 3.2.3恒流源電路仿真仿真電路圖如圖3-4所示。圖3-4 恒流源電路仿真圖如圖3-4所示，恒流源輸出穩(wěn)定電流I ,經過負載電阻R1，R1=1.0K，由萬用表測得電壓為1.001V，由此得I=1

33、mA。3.3 RS485接口通信電路RS-485總線采用雙絞線差分傳輸方式 ,可連接成半雙工和全雙工方式 ,最遠傳輸距離為 112 km.系統(tǒng)數據通信采用半雙工通信方式 ,即整個網絡中任一時刻只能由一個節(jié)點成為主節(jié)點 ,處于發(fā)送狀態(tài) ,并向總線發(fā)送數據 ,其他的節(jié)點都必須處于接收狀態(tài) ,如果2個或2個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數據 ,將導致所有發(fā)送方發(fā)送數據失敗 ,因此通信網一般采取主從式 ,即主節(jié)點控制整個網絡的通信時序 ,使總線上的各節(jié)點分時使用總線 ,解決總線數據傳輸的沖突。由于設計的控制器具備現場總線通信功能，支持 MODBUS協(xié)議與組態(tài)軟件直接掛接,因此設計了RS485通信接口電路。為適

34、應供電系統(tǒng)，RS485器件選擇 SP3485 芯片。圖3-5為 SP3485 芯片與C8051F410片上系統(tǒng)的接口電路，微處理器的UART串口的TXD連接到 SP3485芯片的DE和 /RE引腳，RXD連接到SP3485芯片的RO引腳。由微處理器輸出的TXD信號控制SP3485芯片的發(fā)送器 /接收器使能，此時微處理器可以向RS485總線發(fā)送數據。任一時刻，SP3485芯片中的“ 接收器”和“ 發(fā)送器” 只能夠有一個處于工作狀態(tài)。連接至A引腳的上拉電阻 R3、連接至B引腳的下拉電阻R5用于保證無連接的SP3485芯片處于空閑狀態(tài),提供網絡失效保護，以提高 RS485節(jié)點與網絡連接的可靠性。 圖

35、3-5 RS485通信接口電路3.4 6N137光電隔離電路在未采用光電隔離器的電路中，源部分由隔離變壓器隔離，減少電網中的噪聲影響，數字電源和模擬電源不共地，由于模擬電路一般只有15V，而AD轉換器還需要+5V電源，為使數字電路與模擬電路真正隔離，+5V電源由+15V模擬電源經DC-DC變換器得到。模擬電路以及AD轉換電路與數字電路的信號聯系都通過6N137。逐次比較型AD并行輸出12位數據，每一路信號經緩存器后送入6N137的腳3，進行同相邏輯傳輸至數字電路，輸入端限流電阻選用470，輸出端上拉電阻選用47k，輸出端電源和地間（即6N137的腳8與腳5間）接0.1uF瓷片電容，作為旁路電容

36、以減少對電源的干擾，6N137的使能端接選通信號，使6N137在數據有效時才工作，減少工作電流。模擬電路和AD轉換所需的各路控制信號也通過6N137接收，接法同上，在時序設計中要特別注意6N137約有50ns的延時，與未采用光電隔離器的數據采集電路相比，系統(tǒng)信噪比提高了一倍以上，滿足了系統(tǒng)設計要求。如圖3-6。圖3-6 光電隔離接口電路3.5開關電源電路3.5.1 PWM芯片TOP220工作原理該芯片僅有漏極端 、控制端和源極端三個管腳 。主要由 10部分構成：控制電壓源 帶隙基準電源 振蕩器 并聯調整器 誤差放大器脈寬調制 器 門驅動級和輸出級過流保護電路 過熱保護及上電復位電路 關斷 自動

37、需啟動電路 高壓電流源 。芯片內部帶有高頻 、高壓型功率器件和振蕩器高達的電壓模式脈寬調制器較好地解決了功率電子學中高壓、高頻和功率三者的關系。芯片內部還具有的啟動電路 ,自鎖定保護電路、環(huán)路補償電路、誤差放大器 ,及利用本身的導通電阻來代替外部過流檢測電阻實現的過流保護更是該芯片的一大優(yōu)點 ,使器件工作的可靠性、穩(wěn)定性得到保證。芯片實現脈寬調制的工作原理啟動操作時 ,漏極端 由內部電流源提供偏置電流流入芯片 ,提供開環(huán)輸入 ,該輸人通過旁路調整誤 差放大器時 ,控制端實現閉環(huán)調整 ,通過改變 ,經由控制的輸出占空比 ,達到動態(tài)平衡 ,實現脈寬調制原理 。由此可見 ,芯片不僅在內部電路結構、功

38、能 ,提高效率方面 ,可靠性方面均優(yōu)于分立元件組成的高壓 ,高頻脈寬調制電路 ,該芯片為核心實現高效開關穩(wěn)壓電源是非常理想的器件。3.5.2開關電源電路及工作原理1開關穩(wěn)壓電源的結構圖3-7 電源穩(wěn)壓電路圖LVD C RL UO整流濾波激勵信號圖3-7畫出了開關穩(wěn)壓電源的原理圖。它是由全波整流器、開關管、激勵信號、續(xù)流二極管VD、儲能電感和濾波電容組成。實際上，開關穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變換器。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器是把直流轉變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器是把直流轉換成交流，然后又把交流轉換成直流的裝置。這種裝置

39、被廣泛地應用在開關穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數值各不相同的多種直流供電壓。2開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(1) 功耗小，效率高。在圖3-8所示的開關穩(wěn)壓電源電路中，晶體管受激勵信號的控制，交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態(tài)，晶體管的功耗很小，由于頻率高，電感量要求小，變壓器的銅損小，所以電源的效率可以大幅度地提高，能達到80。(2) 體積小，重量輕。從開關穩(wěn)壓電源的原理框圖中可以清楚地看到，由于沒有采用笨重的工頻變壓器。調整管上的耗散功率小，可以省去較大散熱片。所以開關穩(wěn)壓電源的體積小、重量輕。(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調

40、節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。這樣，開關穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩(wěn)壓電源。(4) 濾波的效率大為提高，濾波電容的容量和體積大為減小。開關穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在20kHz以上，是線性穩(wěn)壓電源頻率的400倍以上，整流后的濾波效果幾乎也提高了400倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了200倍。在相同的紋波

41、輸出電壓的要求下，采用開關穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量的1/2001/400，隨著頻率的增加會更小。(5)電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式；有調寬型和調頻型；有單端式和雙端式等等。設計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設計出滿足不同應用場合的開關穩(wěn)壓電源。圖3-8 開關電源原理圖市電220VAC 供電的開關電源是應用最多的開關電源，在眾多用于市電220VAC 供電的開關電源集成電路中，最有代表性的是Power Integrations 公司生產的TOP2XX 系列新型開關電源集成電路，該系列器件的特點是構成開關電源的外圍電路少，可靠性高。如圖3-8所示，采用TO

42、P200 開關集成電路，C14、C28、C29 為濾波電容，L2 和C37構成輸出濾波器。D5和D3 構成放電保護電路。D8，D9，D10 分別為輸出端整流二極管，C25 為反饋端濾波電容。U5 為光電隔離器。通過TL431反饋調節(jié)電壓控制光偶隔離器發(fā)光的強弱，發(fā)光強度越強光電流就越大，光偶輸出電流也就越大，從而控制TOP200的開關時間，調節(jié)變壓器輸出大小，使輸出穩(wěn)定的電壓+5V。第4章 軟件設計4.1 溫度值計算溫度值的計算由單片機來完成，啟動ICL7135開始一次新的轉換，判斷轉換結束后讀取轉換結果并作數字濾波處理 (滑動平均值濾波 )。單片機將處理后的 A /D值轉換成對應的電阻值，用

43、該電阻值查分度表中相鄰三點的數字量，代入二次插值公式求出測得的溫度值。由于電阻值與溫度值之間是非線性關系，為了克服非線性誤差以提高測量精度，減少分度表的存儲量，用二次插值算法計算溫度數值。T =( x - x2 ) ( x - x3 ) x4/( x1 - x2 ) ( x1 - x3 )+( x - x1 ) ( x - x3 )/( x2 - x1 ) ( x- x3 )x5+( x - x1 ) ( x - x2 )/( x3 - x1 ) ( x3 - x2 )| x64.2 MODBUS現場總線協(xié)議 MODBUS是MOD I CON公司最早為它的可編程控制器設計的基于RS2 485通

44、訊介質的一個現場總線協(xié)議，目前在工業(yè)控制領域獲得了比較廣泛的應用 2，3 。硬件系統(tǒng)能選擇設置ASCII或RT U兩種傳輸模式中的任何一種在標準的MOD2BUS網絡中通信.用戶選擇想要的模式，包括波特率、校驗方式等串口通信參數，在配置每個控制器的時候，在一個MODBUS網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。目前最常用的就是RTU模式，即二進制方式 46 .使用RTU模式，對于主控制器，一個典型的發(fā)送消息幀如表4-1所示:表4-1 MODBUS協(xié)議RTU模式典型的發(fā)送消息幀起始間隔設備地址功能代碼數據CRC16校驗結束間隔T1-T2-T3-T41個8位字節(jié)1個8位字節(jié)n個8位字節(jié)2

45、個8位字節(jié)T1-T2-T3-T4消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。傳輸的第一個字節(jié)是設備地址，網絡設備不斷偵測網絡總線。當第一個字節(jié)接收到后，每個設備都進行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后 ,一個至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓時間 ,接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址字節(jié)。同樣地 ,如果一個新消息在小于3.5個字符時間內接到前一個消息開始 ,接收的設備將認為它是前一消息的延續(xù)。這將導致一個錯誤 ,因為在最后的CRC字節(jié)的

46、值不可能是正確的。對于被呼叫的遠程終端設備，它的具體應答格式如表4-2所示:表4-2被呼叫的遠程終端設備的應答格式設備地址功能代碼數據數量數據 1數據 nCRC高位CRC低位基于現場總線的控制器只使用了03命令和06命令。03命令為讀取保持寄存器 ,在一個或多個保持寄存器中取得當前的二進制值 ,例如讀取一個采集器的采集結果。06命令是寫單寄存器,即把一個 16位二進制數裝入一個保持寄存器。主設備的03命令發(fā)送格式如表4-3所示,03命令支持 1128個數據的讀取 ,返回的數據都是整形字 ,每個占用兩個字節(jié)。如果讀取多個字節(jié) ,那么一定是一組地址連續(xù)的數據 ,從設備03命令應答格式如表4-3所示

47、:表4-3 主設備的03命令發(fā)送格式設備地址功能代碼數據起始地址高位數據起始地址低位讀取的數據寄存器個數高位讀取的數據寄存器個數低位CRC16校驗1個字節(jié)031個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)2個字節(jié)表4-4 03命令應答格式設備地址功能代碼返回數據字節(jié)計數數據 1高位數據 1低位數據 n高位數據 n低位CRC16校驗1個字節(jié)032個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)2個字節(jié)主設備的06命令發(fā)送格式如表4-5所示 ,06命令僅支持一個輸出寄存器的刷新 ,要求從機把原樣數據發(fā)回作為應答。表4-5 06命令發(fā)送格式設備地址功能碼數據地址高位數據地址低位數據高位數據低位CRC16校驗1個字節(jié)061個

48、字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)1個字節(jié)2個字節(jié)4.3主程序流程框圖主程序包含系統(tǒng)初始化子程序、通信子程序、數據處理子程序等三個模塊。如圖4-1所示。開始 系統(tǒng)初始化子程序數據處理子程序通信子程序圖4-1主程序流程框圖4.4系統(tǒng)初始化子模塊程序設計初始化E2PROM串行口、定時器初始化各種變量初始化子程序返回圖4-2系統(tǒng)初始化程序流程圖系統(tǒng)初始化是使系統(tǒng)能夠按照設計期望運行的必要條件，包括對內部或外部可編程模塊的初始化，以及所用到的全局變量作初始賦值。系統(tǒng)初始化子程序框圖如圖4-2所示。4.5串口通信子模塊程序設計根據設計要求需PC機由CPU 完成數據發(fā)送和接收。故上、下位機之間進行通訊，采用標準的現場總

49、線通訊協(xié)議MODBUS協(xié)議。數據每楨為8個字節(jié)，具體格式如表4- 6和表4-7 所示。通訊程序程序框圖如圖4-3所示。表4-6 數據讀取傳輸格式站號03號命令寫地址寫地址數據數據CRC校驗CRC校驗表4-7 數據寫傳輸格式站號06命令號數據數據數據數據CRC校驗CRC校驗在通訊協(xié)議中只用了兩個命令，03 號命令和06號命令，03號命令代表要求發(fā)送數據，06號命令代表要求從機原樣數據發(fā)回作為應答。串口接收中斷判斷協(xié)議命令號發(fā)送數據是否通過CRC校驗子程序返回否是圖4-3 通信程序流程圖第5章 使用工具介紹5.1電子設計工具ProtelDXPAltium公司作為EDA領域里的一個領先公司，在原來P

50、rotel 99SE的基礎上，應用最先進的軟件設計方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系統(tǒng)的EDA設計軟件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基礎上增加了許多新的功能。新的可定制設計環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動以及彈出面板，強大的過濾和對象定位功能及增強的用戶界面等。Protel DXP是第一個將所有設計工具集于一身的板級設計系統(tǒng)，電子設計者從最初的項目模塊規(guī)劃到最終形成生產數據都可以按照自己的設計方式實現。Protel DXP運行在優(yōu)化的設計瀏覽器平臺上，并且具備當今所有先進的設計特點，能夠處理各種復雜的PCB設計過程。通過設計輸

51、入仿真、PCB繪制編輯、拓撲自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術融合，Protel DXP提供了全面的設計解決方案。Protel DXP 2004已不是單純的PCB（印制電路板）設計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設計、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設計、Auto Router（自動布線器）和FPGA設計等，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。該軟件將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術、多通道設計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術結合在一起，為電路設計提供了強大的支持。與較早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不僅在外觀上

52、顯得更加豪華、人性化，而且極大地強化了電路設計的同步化，同時整合了VHDL和FPGA設計系統(tǒng)，其功能大大加強了。Protel DXP 2004新特點：1. 整合式的元件與元件庫在Protel DXP 2004中采用整合式的元件,在一個元件里連結了元件符號(Symbol)、元件包裝(Footprint)、SPICE元件模型(電路仿真所使用的)、SI元件模型(電路板信號分析所使用的)。2. 版本控制可直接由Protel設計管理器轉換到其他設計系統(tǒng)，這樣設計者可方便地將Protel DXP 2004中的設計與其他軟件共享。如可以輸入和輸出DXP、DWG格式文件，實現和Auto CAD等軟件的數據交換，也可以輸出格式為Hyperlynx的文件，用于板級信號仿真。3. 多重組態(tài)的設計Protel DXP 2004支持單一設計多重組態(tài)。對于同一個設計文件可指定要使用其中的某些元件或不使用其中的某些元件，然后產生網絡表等文件。4. 新的文件管理模式Protel DXP 2004提供三種文件管理模式?？蓪⒏魑募嫒肴雴我粩祿煳募?，即Protel 99SE的ddb，也可以存為Windows文件，即一般的分離文件，而不需要數據庫管理系統(tǒng)(ODBC)，就可以存取該文件，此外新增了一個混合模式，也就是在數據庫外存為獨立的Windows文件。5. 多屏幕顯示模式對于同一個文件，設計者可打開多