基于AT89S8252排污遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上位機(jī)為主叫方。下位機(jī)為被叫方上位機(jī)以定時(shí)巡檢或隨機(jī)抽檢兩種方式遠(yuǎn)程獲取各下位機(jī)(子站)采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)國家環(huán)?？偩钟嘘P(guān)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求編制周報(bào)，日?qǐng)?bào)等。下位機(jī)(即子站)分布在城市的各檢測(cè)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，主要是二氧化硫(SO2)，二氧化氮(NO2)含量，具有自檢、自動(dòng)穩(wěn)零等功能，自動(dòng)應(yīng)答上位機(jī)呼叫并上傳數(shù)據(jù)。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是基于PSTN通信接口電路，模擬信號(hào)采樣電路及滿足無人職守要求的下位機(jī)控制電路。

2.1 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

按照功能規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定本系統(tǒng)的硬件框架，如圖1所示。

2.2 CPU模塊設(shè)計(jì)

基于AT89S8252微處理器的CPU模塊電路如圖2所示。

為了適應(yīng)LCD液晶模塊的接口要求，在P0數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線口上擴(kuò)展了U3(74HC373)作為低8位地址鎖存器，產(chǎn)生LCD模塊讀寫所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入信號(hào)A0，A1。圖2中LCDIN為液晶模塊地址選擇口線。

系統(tǒng)采用MAX813L實(shí)現(xiàn)復(fù)位需要，由S1實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位(主要用于調(diào)試期間的復(fù)位)。由此實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路具有電源電壓監(jiān)視能力，即當(dāng)電源電壓低于4.65 V時(shí)產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)；同時(shí)也具有上電復(fù)位能力。由于AT89S8252內(nèi)部含WDT，并且不需要額外的喂狗信號(hào)，從減少口線占用考慮，放棄使用MAX813L內(nèi)含的WTD。

在圖2中，CZ2為四路開關(guān)量輸入口，CZ8為功能擴(kuò)展預(yù)留口。從圖中可知，系統(tǒng)的主頻為6 MHz，一方面保證滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求，同時(shí)也考慮了可靠性的要求，即適當(dāng)降低速度以提高抗干擾能力。圖中，ADSCK，ADIO及ADRDY為模數(shù)轉(zhuǎn)換接口信號(hào)；MODEM作為MODEM電源控制信號(hào)；LED為系統(tǒng)指示燈控制信號(hào)。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中人機(jī)界面主要是顯示界面，因?yàn)槭沁h(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此下位機(jī)沒有設(shè)計(jì)按鍵按鈕電路。顯示界面采用HD44780兼容的16×2液晶顯示模塊。具體接口電路如圖3所示。

接口設(shè)計(jì)，由LCDIN，WR和RD組合產(chǎn)生液晶模塊的使能信號(hào)E(即圖中的LCD信號(hào))，A0為讀寫選擇信號(hào)(R／W)，A1為寄存器選擇信號(hào)(RS)。

2.4 MODEM通信接口設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊是通信模塊，PSTN遠(yuǎn)程系統(tǒng)的關(guān)鍵是調(diào)制解調(diào)器(MODEM)通信接口模塊。本系統(tǒng)的MODEM接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

MAX232作為TTL-RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片，是微處理器與MODEM之間的接口電路，51系列微處理器雖然有串行輸入／輸出口，但不具有RTS，CTS，DTR等標(biāo)準(zhǔn)接口握手信號(hào)線，考慮到下位機(jī)與上位機(jī)的通信量一般并不大，所有在連接時(shí)采用了簡單的“三線式”，即只通過TXD，RXD和底線GND進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)做以下處理：

(1)7(RTS)，8(CTS)，1(CD)等三信號(hào)短接；

(2)6(DSR)、4(DTR)等兩信號(hào)短接。

從圖中可知，RS 232的接線端與連MODEM的DB9(即圖中CZ2)的第二腳(接收端)相連，發(fā)送端與DB9的第三腳(發(fā)送腳)相連，通過軟件的設(shè)置與處理，實(shí)現(xiàn)“三線式”遠(yuǎn)程通信。

在接口電路設(shè)計(jì)中，引入了MODEM電源控制電路，即下位機(jī)每次響應(yīng)呼叫并正確發(fā)送數(shù)據(jù)后，由看門狗自動(dòng)實(shí)施下位機(jī)系統(tǒng)整體復(fù)位，對(duì)MODEM的復(fù)位命令是通過電源的上電來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镸ODEM可能無法響應(yīng)微處理器傳來的復(fù)位命令。對(duì)應(yīng)電源的開、關(guān)控制，可以采用對(duì)陰、陽極同時(shí)實(shí)施開關(guān)控制。前提是必須選用雙刀雙擲繼電器，由于調(diào)整解調(diào)器的供電功率一般在9 W以下，因此采用OMRON G5V-2小型繼電器。該繼電器可靠性高，負(fù)載能力為2 A／30 V (DC)，工作電壓為5 V，與5 V微處理器系統(tǒng)接口簡單。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

基于“三線式”的MODEM通信接口程序，關(guān)鍵是軟件握手信號(hào)的處理；模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換接口程序，關(guān)鍵是AD7705的初始化和雙通道的切換；主模塊框架的構(gòu)建，關(guān)鍵是微處理器資源的合理分配和使用；適應(yīng)無人職守的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是軟硬件看門狗的應(yīng)用。

3.1 下位機(jī)的軟件框架

整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的軟件框架如圖5所示。

在圖5中，主模塊、通信模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊及顯示模塊為獨(dú)立模塊，主模塊為核心，管理其他3個(gè)子模塊，這4個(gè)模塊均為實(shí)模塊；而軟件與硬件看門狗模塊為虛模塊，它以適當(dāng)?shù)男问胶瓦m當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)存在于主模塊和MODEM通信模塊中，其作用就是監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以防通信死鎖等意外情況導(dǎo)致下位機(jī)癱瘓，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)在軟故障條件下的自恢復(fù)。

3.2 軟件主模塊設(shè)計(jì)

軟件中主模塊是管理模塊，設(shè)計(jì)的考慮因素有：

(1)系統(tǒng)資源的合理使用，例如中斷資源、內(nèi)部存儲(chǔ)器和寄存器資源；

(2)在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，保證程序的簡化和優(yōu)化，減少調(diào)試工作量。

主模塊首先考慮的是A／D轉(zhuǎn)換和通信之間的關(guān)系問題，其次是各模塊的層次問題，最后是看門狗在各模塊中的嵌入問題。

主模塊的流程圖如圖6所示。

4 結(jié)語

隨著當(dāng)前信息時(shí)代的飛速發(fā)展及新型單片機(jī)技術(shù)在控制領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用的拓寬。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在工業(yè)管理也得到了實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供了一種監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到地區(qū)之間的管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)共享，為環(huán)保部門提供一種新型，可視化，高效的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)。