一种实用的分布式数据采集和控制系统

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
一、引言 液体的液位测量在工业生产中非常普遍,应用领域也比较广,例如:自来水位的测量和控制,石油管道和储油罐的油位的测量等。高精度的传感器可用于这些测试系统中来感知传递压力、流量、 温度等信号,把这些信号变成电信号,然后经过放大、A/D转换、送入单片机处理后,最后发送到远方的PC机,这样可实现对现场的液位情况进行实时监控,从而向被控单元发出指令,采取相应的动作。整个系统的框图如下: 二、具体的实现过程 1. 放大部分:TLC4502-双路自校准低噪声高速运算放大器的应用。 集成运算放大器种类很多,在各类仪表及控制电路中要求运算放大器必须具有高精度,高共模抑制比和低温漂等性能。目前采用的精密运算放大器都具有外接调零电位器输入端,应用时首先对其失调调零。由于电路复杂,给调试带来不便。美国TI仪器公司研制生产的TLC4502精密型双运算放大器,采用自动校准技术,在上电时将输入失调电压自动调整为零,使用起来十分方便,同时也节省了PCB板和外部分离元件,该器件的管脚排列如下图所示: TLC4502自动校准运算放大器在片内利用对数字与模拟信号的处理,可在上电时输入失调电压自动校准为零。完成自动校准一般需要300ms的时间,连续校准时可在(%26;#177;)3μV范围内反复进行。一旦校准完成,大部分校准电路将脱离信号通道并被关断,这样,校准电路对信号通道几乎无影响,这也使得TLC4502在校准周期结束之后可以完全象其他精密运算放大器一样使用。 TLC4502具有高精度,高增益,良好的电源抑制比,驱动能力强等特点,可广泛应用于数据采集,数字音频,工业控制等领域。在本系统中,用来放大从传感器出来的微弱信号,具体电路如图1: 图1 2. A/D转换部分:TLC1549-带串行控制的10位模数转换器的应用。 从放大器出来的电压信号进入到A/D转换器以形成单片机便于处理的数字信号。在该设计中,采用了美国TI公司生产的10位模数转换器TLC1549。它采用CMOS工艺,具有内在的采样和保持,采用差分基准电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,总不可调整误差达到(%26;#177;)1LSB Max(4.8mv),占地面积小等特点。 其工作原理为:在芯片选择(/CS)无效情况下,I/O CLOCK最初被禁止且DATA OUT处于高阻状态。当串行接口把/CS拉至有效时,转换时序开始允许I/O CLOCK工作并使DATA OUT脱离高阻状态。串行接 口然后把I/O CLOCK 序列提供给I/O CLOCK并从DATA OUT接收前次转换结果。I/O CLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在/CS的下降沿,前次转换的MSB出现10个时钟长度 ,那么在10个时钟的下降沿,内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内,规定时间内/CS端高电平至低电平的跳变可终止改周期,器件返回初始状态(输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果)。由于可能破坏输出数据,所以在接近转换完成时要小心防于止/CS被拉至低电平。时序图如图2: 图2 由于它采用串行输出的方式,占地面积小,方便灵活,与单片机的接口也简单,电路如图3: TLC1549 AT89C51 图3 该软件部分为,其中,入口参数:使用累加器A,进位标志CY及工作寄存器R7;出口参数:20H单元存放转换结果的低8位,21H单元存放转换结果的高2位。 AADCCON: MOV 20H,#00H MOV 21H,#00H ;结果单元清零 MOV R7,#0AH ;A/D转换位数标志 CLR P1.4 ;选通TLC1549 LOOP1: MOV C,P1.0 ;读转换结果送至CY MOV A,20H ;转换结果移至结果单元 RLC A MOV 20H,A MOV A,21H RLC A MOV 21H,A SETB P1.2 ;形成移位脉冲 CLR P1.2 DJNZ R7,LOOP1 ;转换结束否? SETB P1.4 ;TLC1549复位并进行一次转换 RET ;上述程序执行时间约120μs 3. RS485接口芯片部分-75LBC184 放大的电压信号经过A/D转换由单片机处理后,要传送到远方的PC机,以便达到实时监控的目的。以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统,因为其电路结构简单,工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的单片机产品都集成了串行通信接口,使用串行通信接口,通过RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络,把多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服单片机的不足,引入了PC机,采用主从式结构模式,即PC机为主机,分布在现场的各个单片机系统为从机,其结构如下图所示。 PC机串行口为标准的RS232口,根据标准规定:RS232采用负逻辑,并且传输距离短,一般用于20m以内的通信。而对于大多数分布式控制系统,通信距离为几十米到几千米不等,因此,RS232接口不能满足系统的要求,目前广泛采用的是RS485收发器。RS485收发器采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力,加上收发器具有高的灵敏度,能检测低达200mv的电压,故传输信号在千米以外得到恢复。在这种分布式控制系统中,通信是系统的关键,是系统设计时首要考虑的问题。而如何有效可靠地实现RS232与RS485之间的转换是系统通信实现的前提。 在该设计中,使用了TI公司生产的一种RS485接口芯片75LBC184,它使用单一电源Vcc,电压在+3~+5.5V范围内都能正常工作,能完成TTL与RS485之间的转换。其引脚如下图所示:该芯片与普通的RS485收发器相比,有一个显著的特点,那就是片内A、 B引脚接有高能量顺变干扰保护装置,可以承受峰值为400W(典型值)的过压顺变,故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场,可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计,当输入端开路时,其输出为高电平,这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时,不影响系统的正常工作。另外,它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍(≥24KΩ),故可以在总线上连接64个收发器,其工作原理如图4 所示。 图4 在该设计中,经过单片机处理的信号,经过75LBC184与外围电路形成的RS232/RS485电平转换器电路,然后传到远方的PC机进行实时监控。具体实现的电路如图5: 图5 在该电路中,使用了三片光电耦合器TLP521进行隔离,使得PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系,提高了工作的可靠性,其工作原理为: 当RS232的RTS端为逻辑电平1(-12V)时,光电耦合器的发光二极管不发光,光敏三极管不导通,输出电平为TTL的逻辑电平1(+5V),选中RS485接口芯片的DE端,容许RS485接收,这样,RS232的TXD端就可以发送数据(工作逻辑与RTS端相似)。当RS232的RTS端为逻辑电平0(+12V)时,光电耦合器的发光二极管发光,光敏三极管导通,输出端为TTL的逻辑电平0(0V),选中RS485接口芯片的RE端,容许RS485发送。RS485的R端工作时,当其输出为逻辑电平1时,光电耦合器的发光二极管不发光,光敏三极管不导通,借助RS232输出停止时其TXD电平为-12V,电容被充电到-12V,使其输出也为-12V,即逻辑电平1;当其输出为逻辑电平0,光电耦合器的发光二极管发光,光敏三极管导通,使其输出也为+5V,也在RS232逻辑电平0的范围之内,即为逻辑电平0。这样,根据PC机和单片机之间的协议,就可实现二者交互式的通信。 4. 电源部分 电源的稳定性是整个系统能够正常工作的基础,在本设计中,所有的器件都采用常用的+5V的电压,为了提高电压的稳定性,采用了TI公司生产的固定正输出、低压差稳压器TL750L05。TL750L05必须有输出电容,没有输出电容,则其输出端的电压为锯齿波形状,锯齿波的上升沿随输入电压变化而变化,加输出电容后,可以抑制上述现象,输出电容的范围在0.1uF"1uF内。电路如图6所示: 图6 三、结 束 语 由TI公司的模拟产品TLC4502、TLC1549、SN75LBC184、TL750L05和ATMEL公司的单片机AT89C2051构成的分布式数据采集和控制系统,现已用于监测石油管道的压力,流量和温度等参量,性能良好。该系统的特点为:面积小,占地为5cmΧ6.5cm;性能好,系统运行稳定,同时处理几个物理参量,进行实时监控;操作简单方便。 附:该系统的实物图。如下所示:
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