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[導讀]本文介紹了利用TI公司的模擬產品高速運算放大器TLC4502,串行A/D轉換器TLC1549,RS485接口芯片75LBC184,穩(wěn)壓器TL750L05和其他公司的產品AT89C2051。實現了把從多路傳感器采集來的信號,經過一系列的處理傳到PC機上,從而構成了由單片機和PC機組成的分布式數據采集和控制系統(tǒng)。

一、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(±)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:


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:


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: 

TLC1549           AT89C51

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。
     AADCCON:   MOV   20H,#00H  
                 MOV   21H,#00H            ;結果單元清零
                 MOV   R7,#0AH             ;A/D轉換位數標志
                 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
                 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據采集控制系統(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(≥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。



圖4

    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:


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)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0.1uF~1uF內。電路如圖6所示:


圖6

三、結 束 語

    由TI公司的模擬產品TLC4502、TLC1549、SN75LBC184、TL750L05和ATMEL公司的單片機AT89C2051構成的分布式數據采集控制系統(tǒng),現已用于監(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。

附:該系統(tǒng)的實物圖。如下所示:

 

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