（检测技术与自动化装置专业论文）基于温度器件检定的高精度温度控制系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着现代化生产和科学研究的发展，人们对温度过程控制的要求越来越高。这就要求计量部门 具有能建立具有更高的精度、稳定性和可靠性的恒定的温度场环境的温度控制系统。 本文首先简要介绍了测温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此基础上结合系统的实际指标 和要求设计开发了以单片机为核心的低成本高精度温度控制系统。 在硬件上，采用增强型m c s 5 1 单片机( p 8 9 c 5 1 r d 2 ) 作为控制仪的核心控制器件，并选用 a d 7 7 1 0 为系统的a d 转换器，通过该器件完成了测温通道的自调零与自校正，使仪表的测温精度 及准确度基本上不依赖于零点失调和增益等因素；同时采用锁相环h e f 4 0 4 6 与分频器相结合，跟踪 电网频率，从硬件上消除了电网频率变化对电阻炉输出的影响：采用l c d 显示器件，使人机交互更 加的友好。 在软件上，温度控制采用传统的p i d 控制算法实现，由于5 1 系列的单片机运算能力、运算速 度较低。在计算程序设计中，全部采用了分段线性插值的方法来代替复杂的数据运算，以程序代码 空间来换取运算的速度以及精度。 温度控制仪表通过4 8 5 总线把数据传送到p c 机上，上位机可以弥补下位机由于单片机内部资源 的限制，不能保存大量的数据的缺陷。系统的上位机软件除了可以实现历史数据保存的功能之夕卜， 还有查看数据和打印等功能。 关键词：温度控制，单片机，线性插值 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 山廿1 ed e v e l o p m e mo fm o d e ni n d u s t r ya n ds c i e n c er e s e a r c h ，i ti sh i g h e r0 f 也ed e m a n do f t e m p e r a m r ec o n t r o l l i i l g t h em e a s l l r ed e p a r t m e n tn e e d sat e m p e r a t u r ec o n n d ls y s t e mw l l i c hs h o u l dh a v e h i g b e rp r e c i s i o n ，s 妇b i l i 啦d 印e n 出b j 】j 守o nf o u n d i n gat e m p e r a t u r e 如t i r 。n m e n t t h ef i r s tb r i e f e do nt e m d e r a l = u r em e a s u r e m e n tm e t l l o d s c h a r a c t e r i s t i c sa d di r 血o d u c et h ep t l 0 0 s c h a r a c t e r i s 廿c s o nt 1 1 i sb a s i s ，d e s i g nah i g h - p r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n 廿o ls y s t e ma t 恤r e f e n c eo ft h e i 工l d i c a t o i 弓a n d 1 ea c t u a lr e a u i r e m e n 乜 s y s t e mu s e s8 0 5 1s e r i e sm c u ( p 8 9 c 5 1 r d 2 ) a st h ei n s t m m e n t sc o n t r o l l e la n d2 4b i t sa d 7 7 1 0i s c h o s e da sa n a l o gt 0d i g h a lc o n v e nd e p a r 咖e n t a d 7 7 l oh a s8o p e r a t i o nm o d e s ，b yc h o s i n gd i 髓r e n t o p e r a t i o nm o d e ，a d 7 7 l oc a l lc a “b r a t i o nz e r o s c a ia n d 血i l - s c a ic a j i b r a t i o nc o e 街c i e n 乜h e f 4 0 4 6i su s e d t ot r a c kt l l ee l e c t r i c a if r e q u e n c ya n dt h ec h a n e eo fm ea c 疗e q u e n c yc a n ti n n e c tt h ee l e c m cc o o k e r s o u t p u tl a d i su s e da so u t p u t ，p r o v i d eag o o dm a n t o m a c h i n ei n t e h c e p i dc o n 台o lm e t h o di su s e di nt h ec o n n d ls v s t e m t h en o a to p e r a t i o nc a nn o tb er u ni np 8 9 c 51 r d 2 ， a n dt h em c u ss p e e di s1 0 s 0 ，u s i n gi n 汹_ p o l a t i o ni m e a dm ed i r e c tc a l c u l a t e t h a t st os a y ，t 1 1 ep r o g r 锄 s p e n tm o r ec o d es p a c et og e th i 曲s p e e da n dh i g hp r e c i s i o n i n s t m m e n tt r a l l s f e r st h ed a t at op cb vr s 4 8 5 t h ep cs o 胁a r ec a ns a v ea 1 1 廿l ed a t ao n 廿1 eh a r d d i s k t h es o f e w a r ea l s oc a nr e v i e wt h es a v e dd a t aa n dd r i n to u ct h e m k e yw o r d ： t e m p e r a t u r ec o n 廿o l ，m c u ，i n t c r o l a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 孤垒 日期：盈丛! ：竺 东南大学学位论文使用受权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲址新徽尜学 期：! ! “! 丝 第一章概述 第一章概述 1 1 测温方法分类及其特点2 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到 热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计就可据此测出被测对象的温度。 因此，接触式测温一方面有测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点，另一方 面也存在由于感温元件与被测介质直接接触，从而影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加 测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转 换的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。 非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能 实现热交换，据此测出被测对象的温度。因此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热 惯性小，测温上限可设计的很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。两类测温方 法的主要特点如下表1 1 所示。 表1 1 两类测温方法特点 方式接触式非接触式 测量感温元件要与被测对象良好接触：感温元件的加需准确知道被测对象表面发射率：被测对 条件入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温象的辐射能充分照射到检测元件上 元件能承受的上限温度：被测对象不对感温元件 产生腐蚀 测量特别适合1 2 0 0 以下、热容大、无腐蚀性对象的原理上测量范围可以从超低温到极高温，但 范围 连续在线测温，对高于l3 0 0 以上的温度测量较1 0 0 0 以下，测量误差大，能测运动物体和 困难热容小的物体温度 精度工业用表通常为10 、0 5 、0 2 及0 1 级实验室通常为1 0 、15 、25 级 用表可达00 1 级 响应慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2 3 秒钟 速度 其它整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、 特点便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表 温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统现温度( 需进一步转换) ；不易组成测温、控 温一体化的温度控制装置 1 - 2 热阻式测温方法p 基于热电阻测温原理是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转 换为电信号，从而达到测温的目的。 用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度 的关系最好近于线性；另外，材料的物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能 便宜。 热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传( 与热电偶相比) 、无需参比温度； 东南大学硕士学位论文 金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、 有自热现象以及测量温度不能太高。常用铂电阻传感器。 铂电阻的电阻率较大，电阻一温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复 现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国标i t s 一9 0 规定，在一2 5 9 3 4 6 3 0 7 4 温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。 目前工业用铂电阻分度号为p t l o o 和p t l 0 ，其中p t l 0 0 更为常用；铂电阻范围通常最大为2 0 0 8 5 0 。铂电阻与温度的关系： 当一2 0 0 r o 时 r ( f ) = 五。i1 + 爿f + b f 2 + c r f r 一1 0 0 1 当o f 8 5 0 时 r o ) = r ( 1 + 爿r + 四f 2 ) 4 = 3 9 0 8 0 2 i o 一3 o cb = 一5 8 0 1 9 l o 一7 o c 2c = 一4 2 7 3 5 0 1 0 一1 2 。c 4 式中民为温度为零时铂热电阻的电阻值( p t l 0 0 为1 0 0 ，n l o 为1 0 ) r ( f ) 为温度为t 时铂热电阻的电阻值； 显然铂电阻适合用于高精度、较宽温度范围的测量。 1 - 3 课题背景、意义及任务内容 1 3 1 课题背景及意义吲 随着工业生产和科学研究的发展，人们对温度测量及控制的要求越来越高，具体表现在温度测量控 制的精度、稳定性、可靠生等方面。特别是在尚陛能、高精度的器件的生产、标准检测领域的应用、高要 求的实验环境的建立等方面，都有高精度温度控制仪表的需求。高精度的温度控制仪表实现就必然离不开 前端电路中高质量的温度传感器的使用。然而即使是同种条件、工艺下生产出来的传感器件，它们的性能 指标也不尽相同。这就要通过对温度传感器的检定来实现。 我国从1 9 9 1 年7 月1 日起开始对各级标准温度计进行改值，整个工业测温仪表的改值在1 9 9 3 年年底前全部完成，并从1 9 9 4 年元旦开始全面推行i t s 一9 0 新温标。 对温度计( 或传感器) 的检定，有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法 建立起一系列国际温标定义的固定温度点( 恒温) 作标准值，把被标定温度计( 或传感器) 依次置于这些 标准温度值之下，记录下温度计的相应示值( 或传感器的输出) ，并根据国际温标规定的内插公式对 温度计( 传感器) 的分度进行对比记录，从而完成对温度计的检定；被检定后的温度计可作为标准温 度计来测温度。 常用的另一种检定方法是把被检定温度计( 传感器) 与已被检定好的更高一级精度的温度计( 传感 器) ，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记 录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次重复测试，若这些差值稳定，就成了对被检定温度计 的检定。 本论文主要讨论高精度的恒温槽的温度控制系统的设计，该系统能用于热电阻温度器件的检定。 1 3 2 温度控制系统的功能要求： 温度控制系统主要分为两大部分：现场温度控制仪表和上位机程序。现场温度控制仪表主要用 2 蔓二兰塑堕 于建立标准的高精度温度场，并在标准温度下测量标准热电阻和被检定热电阻的阻值然后传送到上 位机。上位机程序负责接受下位机的数据并以文件形式保存以供其它热电阻分析软件使用。 1 、现场温度控制仪表： ( 1 ) 温度的测量和显示功能：对于恒温槽的温度的实时测量，显示实际的测量温度以及目标控制温 度的值。 ( 2 ) 工作参数的设定功能：温度控制现场仪表的工作参数可以重新设定，方便根据实际的工作环境 选择最佳的工作参数。 ( 3 ) 温度控制功能：输出控制采用可控硅调相调功方式，确保恒温槽建立的温度精度能满足要求的 指标； ( 4 ) 远程通信功能：现场温度控制仪表可以把测得的温度的值、工作参数、被测铂电阻的电阻值传 送给上位机。 ( 5 ) 现场故障诊断及故障显示功能：传感器和被测铂电阻开路或其它故障时，温度控制仪表能诊断 出实际故障并显示出来。 2 、上位机程序： ( 1 ) 串口通信功能：从p c 机串口读取现场仪表传送上来的各项数据。 ( 2 ) 界面显示：显示每台表的工作状态以及每台表所测量得到的温度值。 ( 3 ) 历史数据的保存：把下位机传送上来的数据按年、月、日保存在p c 机中可以供以后调档查看 ( 4 ) 打印功能：可以打印历史数据，温度曲线。 l _ 3 3 温度控制系统的主要性能指标： ( 1 ) 输入种类：p t l 0 0 标准热电阻 ( 2 ) 输入点数：1 个测点、4 个被测点 ( 3 ) 温度控制范围：0 0 0 2 0 0 o o ( 4 ) 测量误差： w 、 。p c o u r c 0 舳p i n 门h ， 爿。淼臣 p c 2 0 u tj m 9 0 u t - 、v e o o u tv c o i 剖a i j 牟a 。 。； l ，。s f o u ，1 r 1 r 1 _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - - - 一 k 5匕= o l v s s 挈 i ：瀚- 制堡 z e e r 图3 3 1h e f 4 0 4 6 内部结构图 相位比较器i i 是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高， 允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围。它提供数字误差信号和锁定信号( 相位脉冲) 两种输出，当达到锁定时，在相位比较器i i 的两个输入信号之间保持o 。相移。 对相位比较器i i 而言，当1 4 脚的输入信号比3 脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“o ”：反之 则输出逻辑“1 ”。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位 比较器i i 输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下，从1 脚都有与上述正、 负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器i i 输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升 沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器i i 的输出为高阻态，则1 脚输出高电平。上述波形如图3 3 2 所示。由此可见，从1 脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以 判断两个输入信号的情况了。 东南大学硕士学位论文 “洲1 w r 凡几 器嚣昙n 几厂1 一 v c o o u i 一l _ jl jl 黼。孵芝裹三i 正嚣一h 曲l m 神n q 0 f f l 怕* s s v e o l _ ，一。 一一_ 、r 一8 一。”一汀一 图3 3 2 比较器i 的输入和输出信号的波形 h e f 4 0 4 6 锁相环采用的是r c 型压控振荡器，必须外接电容c 1 和电阻r 1 作为充放电元件。当p l l 对 跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻r 2 。由于v c o 是一个电压控制振荡器，对定时电 容c 1 的充电电流与从9 脚输入的控制电压成正比，使v c o 的振荡频率亦正比于该控制电压。当v c o 控制 电压为0 时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压v d d 时，输出频率则线性地增大到最高 输出频率。v c 0 振荡频率的范围由r 1 、r 2 和c l 决定。由于它的充电和放电都由同一个电容c 1 完成，故 它的输出波形是对称方波。一般规定h e f 4 0 4 6 的最高频率为2 7 z ( v d d = 1 5 v ) ，若v d d = 5 v ，则f m a x 要降低为l 删z 。 h e f 4 0 4 6 内部还有线性放大器和整形电路，可将1 4 脚输入的1 0 0 m v 左右的微弱输入信号变成方波 或脉冲信号送至相位比较器。源跟踪器是增益为1 的放大器，v c o 的输出电压经源跟踪器至1 0 脚作f f 解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为j v ，若与t t l 电路匹配时，可用作辅助电源。 综上所述，h e f 4 0 4 6 工作原理如下：输入信号u 从1 4 脚输入后，经放大器a 1 进行放大、整形后 加到相位比较器i 、i i 的输入端，图3 3 1 开关k 拨至2 脚，则比较器i 将从3 脚输入的比较信号u 。与输 入信号u 。作相位比较，从相位比较器输出的误差电压u ，则反映出两者的相位差。u v 经r 3 、r 4 及c 2 滤 波后得到一控制电压删加至压控振荡器v c o 的输入端9 脚，调整v c o 的振荡频率f 2 ，使f 2 迅速逼近信号 频率f 1 。v c o 的输出又经除法器再进入相位比较器l ，继续与u i 进行相位比较，最后使得f 2 = f 1 ，两 者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关k 拨至1 3 脚，则相位比较器i i 工作，过程与上述相同。 在由h e f 4 0 4 6 构成的锁相环路中，采用的是相位比较器i i ，而相位比较器i i 是一种电流型三态鉴 频鉴相器，其输出电路采用了电荷泵的形式。当环路处于锁定状态时，相位比较器i i 输出为高阻态， 相位比较器输入信号与压控振荡器反馈输入信号之间相差为零，即环路的稳态相差为零。此时滤波 环路中电容无放电回路，电容两端的电压维持不变，压控振荡器输出频率恒定。相位比较器i i 的这 一功能使得由其构成的锁相环路与使用相位比较器i 相比具有以下两点特性；一是髓f 4 0 4 6 相位比较 器i i 构成的锁相环路同步带与捕捉带相等，且与环路的滤波参数无关，这给电路的设计带来了方便： 二是由h e f 4 0 4 6 相位比较器i i 构成的锁相环路可实现无相差锁定。 3 3 3 3 腿f 4 0 4 6 倍频电路2 4 0 4 6 的实际锁相倍频电路如图3 3 3 所示。图3 3 3 用4 0 4 6 与8 2 5 3 构成的倍频电路，其中8 2 5 3 的分 频系数为n 。刚开始，f 2 n 可能不等于f l ，假定f 2 n f l ，此时相位比较器i i 输u v 为高电平，经滤波 后u d 逐渐升高使v c 0 输出频率f 2 迅速上升，f 2 增大值至f 2 n = f 1 ，如果此时u i 滞后u 0 ，则相位比较 器i i 输出u 。为低电平。u ，经滤波后得到的u d 信号开始下降，这就迫使v c 0 对f 2 进行微调，最后达到 f 2 n = f l ，并且f 2 与f l 的相位差中= 0 。进入锁定状态。如果此后f 1 又发生变化，锁相环能再次捕 获f l ，使f 2 与f 1 相位锁定。 第三章现场温度控制仪表的电路设计 图3 3 34 0 4 6 锁相倍频电路 4 0 4 6 中v c 0 的输出频率由1 1 脚外接电阻r 1 和1 2 脚的外接电阻r 2 、6 、7 脚之间的外接电容c 1 、 9 脚的控制电压共同决定。v c o 输出的最低频率f 和最高频率f 。分别为： r ：! 一 ( 3 5 ) “r 2 ( c l + 3 2 ) 厂。2j 志+ ，。 ( 3 6 ) 其中：1 0 世q 冠1 m q ，1 0 茁q r ，1 m q ，1 0 0 c ，0 0 1 厂。设计希望输出频率范 围为0 h z 到1 0 0 k h z 。所以选择r 2 = 。：r 1 和c 1 的选取可以参考p h 订i p h s 公司产品手册上的推荐参数图， 设定的中心频率为1 0 0 k h z ，则选择参数r 1 = 1 0 k q ，c 1 = 3 0 0 p f 。 低通滤波器是锁相环正常工作中不可忽视的部分，其时间常数限制了系统跟踪输入信号的频率 变化的速度。另外，滤波器还能帮助防止噪声电压干扰环路的正常工作。这是由于存储在环路滤波 器上的电容能帮助很快重新捕获因噪声尖峰或其它瞬态效应丢失的信号。如果时间常数过长，会使环 路跟踪在较快变化的输入频率时引起过度的延迟：而过小，使环路踉踪快速变化的输入信号会引起压 控振荡器输出频率的反常变化。一般取r 3 = 1 m q ，r 4 = 1 0 0 k q ，c 4 = o 1 u f 。最佳的工作状态时电阻r 4 的 阻值为电阻r 3 的1 0 3 0 。 3 3 4 可控硅及脉冲变压器输出电路口2 】 可控硅触发电路采用脉冲触发方式。脉冲触发方式可以减少可控硅门极的功耗以及触发信号放 大电路的功耗。使用脉冲变压器的触发电路如图3 3 4 所示。为了保证触发的可控硅可靠的导通，要 求触发脉冲要有一定的宽度。一般取2 0 5 0us ，对于电感性负载，触发脉冲还应加大，脉冲宽度应 不小于1 0 0us ，一般要用到1 m s 。 为了防止可控硅的误触发，提高系统的可靠性，在脉冲变压器的次级k 1 、g 1 和k 2 、g 2 两端并联 一个电阻和一个电容，以降低触发回路的阻抗，减少干扰信号的影响，d 2 、d 3 用于保护可控硅，d 1 用于保护三极管。 东南大学硕士学位论文 3 4 电源和主处理器模块 2 3 】 图3 3 4 可控硅输出控制电路 电源是各类电子设备中必不可少的组成部分，其性能的 优劣直接关系到电子设备的技术指标以及能否安全可靠的 工作。目前常用的直流稳压电源分开关电源和线性电源两大 类，由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本 身消耗的能量很低，所阻效率较线性电源要高，但开关电源 的突出缺点是能产生较强的电磁干扰( e m i ) 。e m i 信号既具 有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污 染电磁环境，会对电子设备造成干扰。对于要求较高的电子 器件，开关电源本身就会是一个干扰源。由于开关电源的这 个缺点，本系统选用线性电源作为系统的直流稳压电源。 线性电源芯片的基本内部电路图如图3 3 5 所示，线性电 源主要由调整管、取样电阻r 1 、r 2 、比较放大器组成， 取样电压在比较器的同相输入端，与加在反相输入端图3 3 5 线性电源的基本内部电路图 的基准电压l 一相比较，两者的差值经放大器放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。 当输出电压u o 降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调 整管压降减小，从而使输出电压升高。相反，若输出电压u 0 超过所需要的设定值，比较放大器输出 的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。实际供电过程中，输出电压校正连续进行。 选用7 8 0 5 和7 8 1 2 三端稳压芯片的具有如下几点特性：输出电流可达l a ；具有过电流和过温保护 功能，电压输出精度达4 。电源电路如图3 3 6 所示。 图3 3 6 电源电路设计 2 6 上甲p争 一 。 蓖 ，墨 第三章现场温度控制仪表的电路设计 3 5 通讯电路设计叫 在计算机测控系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。在设计通讯接口时，必须根据需 要选择标准接口。常用的标准的异步串行通讯接口有2 类：r s 一2 3 2 c 和r s 一4 8 5 ( r s 一4 2 2 ) 。采用标准 接口后，能很方便的把各种计算机、外部设备、测量仪器有机的连接起来构成测控系统。r s 一2 3 2 c 是由美国电子工业协会( i e a ) 正式公布的、在异步串行通讯中应用最广的标准总线。它包括了按位 串行传输的电气和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调的通讯场合。为了提高传输速率和 通讯距离，e i a 又公布了r s 一4 2 2 和r s 一4 8 j 串行总线标准。为保证高可靠性的通讯要求，在选择接口标 准时，需要注意以下两点： 1 通讯速度和通讯距离 通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输的最大通讯速度和传送距离指标。但是这 二个指标之间具有相关性，适当的降低通讯速度，可以提高通讯距离，反之亦然。例如，采用r s 一2 3 2 c 标准进行单向数据传输时，最大传输速率可达2 0 k b i t s ，最大传送距离为1 5 m 。改用r s 一4 8 5 标准时， 最大传输速率可达1 0 妯i t s ，最大传送距离为3 0 0 m ，当降低数据传输速率是，最远传送距离可以达 到1 2 0 0 m 。 2 抗干扰能力 通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号 传输，但在一些工业测控系统中，通讯环境比较恶劣，因此在通讯介质选择、接口标准选择时要充 分注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。在长距离传输时，使用r s 一4 8 5 标准，能有效地抑 制共模信号干扰。 3 5 1 串行通讯总线标准及其接口 l 、r s 一2 3 2 c 接口标准 r s 一2 3 2 c 是目前最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数 据通讯。r s 一2 3 2 c 串行接口总线适用于设备之间的通讯距离不大于1 5 m ，传输速率最大为2 0 k b s 的场 合。 r s 一2 3 2 虽然使用很广，但是因为推出较早，在网络通信中已暴露出明显的缺点： 数据传输速率慢。r s 一2 3 2 c 所规定的2 0 k b s 的传输速率虽然能满足异步通信的要求，但对某 些同步系统来说，不能满足传送速率的要求。 传送距离短。r s 一2 3 2 c 接口一般装置之间电缆长度为1 5 m ，即使有较好的线路器件、优良的 信号质量，电缆长度也不会超过6 0 m 。 未规定标准的连接器，因而出现了互不兼容的连接器。 接口处各信号间容易产生串扰。 鉴于r s 一2 3 2 接口的上述缺点，e i a 又制定的新的标准即r s 一4 8 5 ( i s 一4 2 2 ) 接口标准。新的标准提 高了传输速率，增加了传输距离，改进了电气性能。并增加了r s 一2 3 2 c 未用的测试功能，明确规定了 标准连接器，解决了机械接口问题。 2 、r s 一4 8 5 接口标准 r s 一4 8 5 标准是用平衡差动的方式传输数据、抗干扰性强、速率高、传输距离远、能够实现多点 传输，它允许同时连接3 2 个驱动器和3 2 个接收器，方便地组成一个小型的网络。r s 一4 8 5 是一个电气 接口规范，它规定了平衡驱动器和接收器的电气特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议。 r s 一4 8 5 接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号系统，只要检测两 线之间的点位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围( 一7 1 2 v ) 的条 件下才能正常工作。当共模电压超出此范围时，就会影响通信的可靠性，甚至损坏接口。r s 一4 8 5 电 气特性如表3 3 所示。 2 7 东南大学硕士学位论文 表3 3r s 一4 8 5 电气特性 项目条件最小值最大值 逻辑l 1 5 v6 v 驱动器开路输出电压 逻辑0 一1 5 v一6 v r l = 1 0 0 q ，逻辑11 ，5 v 5 v 驱动器带载输出电压 r l = 1 0 0 0 ，逻辑o 一1 5 v一5 v 驱动器输出短路电流每个输出对公共端 2 5 0 m a 驱动器输出上升时间r l = 5 4 n c = 5 0 d f总时间的3 0 驱动器共模电压 r l = 5 4 q3 v 接收器灵敏度一7 v v c m 1 2 v2 0 0 m v 接收器共模电压范围 一7 v+ 1 2 v 接收器输入电阻 1 2 k q 3 5 2 通信接口电路设计口4 】 接口电路芯片采用m a x i m 公司的m a x 4 8 5 芯片。该芯片的主要特点有： 功耗很低：待机状态、5 v 电源下，电流3 0 0ua 。 抗共模干扰：一7 1 2 v 的共模电压下数据收发正常。 驱动能力强：具有三态输出，总线可以挂接3 2 个m a x 4 8 5 构成的节点。 安全可靠：具有电流限制、过热关断以及输出超载保护功能。 通讯速率和距离性能优异：最大传输距离为1 2 1 9 米，最大传输数据率为1 0 m b i t s ，平衡双 绞线的长度与传输速率成反比。 m a x 4 8 5