實用的分布式數(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.ptau.cn/article/20992.htm液體的液位測量在工業(yè)生產(chǎn)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(jīng)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(xiàn)對現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)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（±）3μv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(shù)據(jù)采集，數(shù)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(shù)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(shù)字信號。在該設計中，采用了美國ti公司生產(chǎn)的10位模數(shù)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圍，總不可調整誤差達到（±）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 clock最初被禁止且data out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接收前次轉換結果。i/o
clock從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(xiàn)10個時鐘長度
，那么在10個時鐘的下降沿，內部邏輯把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(shù)據(jù)寄存器的內容保持為前次轉換結果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，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(shù)：使用累加器a，進位標志cy及工作寄存器r7；出口參數(shù)：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。
aadccon： mov 20h，#00h
mov 21h，#00h ；結果單元清零
mov r7，#0ah ；a/d轉換位數(shù)標志
clr p1.4 ；選通tlc1549
loop1： mov c，p1.0 ；讀轉換結果送至cy
mov a，20h ；轉換結果移至結果單元
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 ；轉換結束否？
setb p1.4 ；tlc1549復位并進行一次轉換ret ；上述程序執(zhí)行時間約120μｓ
3． ｒs485接口芯片部分－75lbc184
放大的電壓信號經(jīng)過a/d轉換由單片機處理后，要傳送到遠方的pc機，以便達到實時監(jiān)控的目的。以單片機為主體構成的分布式數(shù)據(jù)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(chǎn)品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過rs485接口驅動芯片就可以構成總線型通信網(wǎng)絡，把多臺單片機系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jù)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(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(xiàn)rs232與rs485之間的轉換是系統(tǒng)通信實現(xiàn)的前提。
在該設計中，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范圍內都能正常工作，能完成ttl與rs485之間的轉換。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(xiàn)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（≥24ｋω），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(jīng)過單片機處理的信號，經(jīng)過75lbc184與外圍電路形成的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(xiàn)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(lián)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(shù)據(jù)（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)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－12v，電容被充電到－12v，使其輸出也為－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(jù)pc機和單片機之間的協(xié)議，就可實現(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(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。電路如圖６所示：
三 結 束 語
由ti公司的模擬產(chǎn)品tlc4502、tlc1549、sn75lbc184、tl750l05和atmel公司的單片機at89c2051構成的分布式數(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)的特點為：面積小，占地為5cmχ6.5cm；性能好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，同時處理幾個物理參量，進行實時監(jiān)控；操作簡單方便。
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