实用的分布式数据采集和控制系统

1、实用的分布式数据采集和控制系统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

2、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（±3“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，

3、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1：2 . 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TLC1549o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

4、整误差达到（土 ILSBMaR （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/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT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/OCLOCK I作并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。I/OCLOCK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1 0个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA0UT拉至低

5、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: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:该软件部分为，其中，入口参数：使用累加器A,进位标志CR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 : M0V20H ,#00HM0V21H, #00H ；结果单元清零M0VR7 , #0

6、AH ; A/D转换位数标志CLRP1. 4 ;选通 TLC1549L00P1 : MO VC,P1. 0 ;读转换结果送至CRMOVA, 20H ;转换结果移至结果单元RLCAM0V20H , AMOVA, 21HRLCAM0V21H, ASETBP 1.2 ;形成移位脉冲CLRP1. 2DJNZR7 ,L00P1 ;转换结束否？SETBP 1.4 ; TLC1549复位并进行一次转换RET;上述程序执行时间约120 “3 .R S485 接口芯片部分一75LBC184【MeiWei_81重点借鉴文档】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

7、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，

8、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

9、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(24< Q),故可以在总线上连接64个收发器，其工作 原理如图4所示。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

10、远方的PC机进行实时监控。具体实现的电路如图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TRD 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

11、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TRD 电平为一 12V,电容被充电到一 12V,使其输出也为一 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0o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. luFluF内。电路如图6所示：