一種實用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和控制系統(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：