一種實(shí)用的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

一、引言

    液體的液位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣，例如：自來水位的測(cè)量和控制，石油管道和儲(chǔ)油罐的油位的測(cè)量等。高精度的傳感器可用于這些測(cè)試系統(tǒng)中來感知傳遞壓力、流量、 溫度等信號(hào)，把這些信號(hào)變成電信號(hào)，然后經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換、送入單片機(jī)處理后，最后發(fā)送到遠(yuǎn)方的PC機(jī)，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的液位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而向被控單元發(fā)出指令，采取相應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下：

二、具體的實(shí)現(xiàn)過程

    1. 放大部分：TLC4502－雙路自校準(zhǔn)低噪聲高速運(yùn)算放大器的應(yīng)用。

    集成運(yùn)算放大器種類很多，在各類儀表及控制電路中要求運(yùn)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(yùn)算放大器都具有外接調(diào)零電位器輸入端，應(yīng)用時(shí)首先對(duì)其失調(diào)調(diào)零。由于電路復(fù)雜，給調(diào)試帶來不便。美國(guó)TI儀器公司研制生產(chǎn)的TLC4502精密型雙運(yùn)算放大器，采用自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，在上電時(shí)將輸入失調(diào)電壓自動(dòng)調(diào)整為零，使用起來十分方便，同時(shí)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(dòng)校準(zhǔn)運(yùn)算放大器在片內(nèi)利用對(duì)數(shù)字與模擬信號(hào)的處理，可在上電時(shí)輸入失調(diào)電壓自動(dòng)校準(zhǔn)為零。完成自動(dòng)校準(zhǔn)一般需要300ms的時(shí)間，連續(xù)校準(zhǔn)時(shí)可在（±）3μV范圍內(nèi)反復(fù)進(jìn)行。一旦校準(zhǔn)完成，大部分校準(zhǔn)電路將脫離信號(hào)通道并被關(guān)斷，這樣，校準(zhǔn)電路對(duì)信號(hào)通道幾乎無影響，這也使得TLC4502在校準(zhǔn)周期結(jié)束之后可以完全象其他精密運(yùn)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(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集，數(shù)字音頻，工業(yè)控制等領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，用來放大從傳感器出來的微弱信號(hào)，具體電路如圖1：

圖1

    2. A/D轉(zhuǎn)換部分：TLC1549－帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

    從放大器出來的電壓信號(hào)進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器以形成單片機(jī)便于處理的數(shù)字信號(hào)。在該設(shè)計(jì)中，采用了美國(guó)TI公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到（±）1LSB Max(4.8mv)，占地面積小等特點(diǎn)。

    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(dāng)串行接口把/CS拉至有效時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)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(zhuǎn)換結(jié)果。I/O CLOCK從主機(jī)串行接口接收長(zhǎng)度在10和16個(gè)時(shí)鐘之間的輸入序列。開始10個(gè)I/O時(shí)鐘提供采樣模擬輸入的控制時(shí)序。在/CS的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的MSB出現(xiàn)10個(gè)時(shí)鐘長(zhǎng)度 ，那么在10個(gè)時(shí)鐘的下降沿，內(nèi)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(jìn)行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)/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(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時(shí)要小心防于止/CS被拉至低電平。時(shí)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(jī)的接口也簡(jiǎn)單，電路如圖3： 

TLC1549           AT89C51

圖3

    該軟件部分為，其中，入口參數(shù)：使用累加器A，進(jìn)位標(biāo)志CY及工作寄存器R7；出口參數(shù)：20H單元存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位，21H單元存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2位。
     AADCCON：   MOV   20H，#00H  
                 MOV   21H，#00H            ；結(jié)果單元清零
                 MOV   R7，#0AH             ；A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)標(biāo)志
                 CLR   P1.4                 ；選通TLC1549
       LOOP1：   MOV   C，P1.0              ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果送至CY
                 MOV   A，20H               ；轉(zhuǎn)換結(jié)果移至結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)束否？
                 SETB   P1.4                ；TLC1549復(fù)位并進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換
                 RET                        ；上述程序執(zhí)行時(shí)間約120μｓ

    3. RS485接口芯片部分－75LBC184

    放大的電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)處理后，要傳送到遠(yuǎn)方的PC機(jī)，以便達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，因?yàn)槠潆娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性高而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中。目前廣泛使用的單片機(jī)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(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，把多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。但為了克服單片機(jī)的不足，引入了PC機(jī)，采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即PC機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

    PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：RS232采用負(fù)邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20m以內(nèi)的通信。而對(duì)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(cè)低達(dá)200mv的電壓，故傳輸信號(hào)在千米以外得到恢復(fù)。在這種分布式控制系統(tǒng)中，通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的問題。而如何有效可靠地實(shí)現(xiàn)RS232與RS485之間的轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)的前提。

    在該設(shè)計(jì)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(nèi)都能正常工作，能完成TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)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(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是片內(nèi)A、 B引腳接有高能量順變干擾保護(hù)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(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，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(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器，其工作原理如圖4 所示。

圖4

    在該設(shè)計(jì)中，經(jīng)過單片機(jī)處理的信號(hào)，經(jīng)過75LBC184與外圍電路形成的RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換器電路，然后傳到遠(yuǎn)方的PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體實(shí)現(xiàn)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(jìn)行隔離，使得PC機(jī)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(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平1（－12V）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)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(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平0（＋12V）時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)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(shí)，當(dāng)其輸出為邏輯電平1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，借助RS232輸出停止時(shí)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(dāng)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(dǎo)通，使其輸出也為＋5V，也在RS232邏輯電平0的范圍之內(nèi)，即為邏輯電平0。這樣，根據(jù)PC機(jī)和單片機(jī)之間的協(xié)議，就可實(shí)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(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)，在本設(shè)計(jì)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(nèi)。電路如圖6所示：

圖6

三、結(jié) 束 語(yǔ)

    由TI公司的模擬產(chǎn)品TLC4502、TLC1549、SN75LBC184、TL750L05和ATMEL公司的單片機(jī)AT89C2051構(gòu)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(cè)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(diǎn)為：面積小，占地為5cmΧ6.5cm；性能好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)處理幾個(gè)物理參量，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；操作簡(jiǎn)單方便。

附：該系統(tǒng)的實(shí)物圖。如下所示：