基于RS - 485 总线的数据采集系统

　　1 硬件设计

　　系统整体框图系统实质上是一个集散操纵系统，更正确地说是一个远程数据采集系统，系统概念设计图如图1 所示，系统整体框架图如图2 所示。

　　1.2 系统模块设计

　　1.2.1  信号猎取模块

　　系统采集大坝坝内各个方位的形变，这种形变反映出各个方位的压力值。选用NZS - 25 系列差阻式应变计，它是一种大量程大应变计，适用于大坝及其他混凝土建筑物内部、钢结构等的应变量测试。它与一般压力传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

的结构不同，是通过测试比值而得到压力值，其基本结构如图3 所示。

　　图3 中， R1 、R2为敏感电阻电阻

　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

，其基准电阻值为40 Ω ,在其没有受压时，2 个电阻的阻值都不会产生变化，但是当受到外界作用的压力时， R1的电阻值会随着受到压力的不同而产生变化阻值保持不变，这样R1和R2上的压降不同，通过2 次测试分别得到R1 、R2上的压降， 再通过程序计算出它们的比值， 就可以反映压力的变化。

　　1.2.2 信号放大模块

　　系统采纳的压力传感器压力传感器

　　 压力传感器是 将压力转换为电信号输出的传感器，通常把压力测试仪表中的电测式仪表。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 [全文]

输出的电压信号为mV 级，电压信号过小，不能直接进行A/ D 转换，因此要对其进行放大，以达到转换器转换器

　　转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]

的要求。选用专用仪表放大器AD620 芯片。此芯片内部采纳差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简洁。AD620 放大器向A/ D 转换器提供的模拟输入电压为- 2～2 V ,满足A/ D 转换器的要求。

　　1.2.3 A/ D 转换模块

　　转换模块选用ICL7135 芯片，其典型配置如图4 所示。

　　ICL7135的时钟由下位单片机单片机

　　单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中心处理器微处理器随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采纳超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]

的ALE 端提供，因为下位机在P0、P2 口没有扩展外围程序存储器存储器

　　存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据操纵器指定的位置存进和取出信息。 [全文]

和数据存储器，因此端提供的时钟频率为系统时钟频率的1/ 12 ;此外，由于前级放大部分采纳AD620 ,它是双电源供电，所以ICL7135 也是双电源供电，且他们的电源要求相同。ICL7135 和下位单片机的连接采纳串行连接，如图5 所示。

　　图4 　ICL7135 典型外围器件配置图

　　图5 　ICL7135 和单片机的串行连接图

　　1.2.4  电源模块电源模块

　　电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供给器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。 [全文]

　　由于系统下位机位于大坝现场，电源无法从现场取得，必须由上位机提供，因此电源解决方案如图6 所示。

　　图6 　系统供电框图

　　在主节点部分，通过总电源处理模块，将交流220 V 转换为直流12 V ,上位机的电源由自身的5 V 稳压模块提供，通过总电源线电源线

　　电源线是用作电气组件或设备与电源的连接线，通常来说指电线与其一端连接的插头或尾插的集合体，是电器产品的基本零部件之一。电源线分为电线和插头两部分。 [全文]

将12 V 直流输送到下位机，下位机及其外围器件所需的电源都由下位机的电源模块提供，个别器件所需的非凡电压，由专用模块获得。

　　1.2.5 通信模块

　　总线采纳双绞线差分传输方式，可连接成半双工和全双工方式，最远传输距离为112 km. 系统数据通信采纳半双工通信方式，即整个网络中任一时刻只能由一个节点成为主节点，处于发送状态，并向总线发送数据，其他的节点都必须处于接收状态，假如2 个或2 个以上节点同时向总线发送数据，将导致所有发送方发送数据失败，因此通信网一般采取主从式即主节点操纵整个网络的通信时序，使总线上的各节点分时使用总线，解决总线数据传输的冲突。

　　总线驱动芯片选用RS - 485 接口芯片SN75LBC184 ,它采纳单一电源，电压为3～515 V 时都能正常工作。与一般的芯片相比，它不但能抗雷电的冲击，而且能承受高达的静电放电冲击，片内集成4 个瞬时过压守护管，可承受高达的瞬态脉冲电压，因此它能显着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，而不需要任何外加守护元件。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电缆

　　电缆是一种用以传输电能信息和实现电磁能转换的线材产品。既有导体和绝缘层，有时还加有防止水份侵入的严密内护层，或还加机械强度大的外护层，结构较为复杂，截面积较大的产品叫做电缆。 [全文]

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RS - 485 标准输入阻抗的2 倍（ ≥24 kΩ） ,故可以在总线上连接64 个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频重量，从而有效扼制电磁干扰。总线驱动芯片和单片机的连接采纳间接连接，如图7 所示。

 

　　图7 　总线驱动芯片和单片机间的间接连接图

　　1.2.6 数据存储模块

　　该模块用来存储下位机传过来的压力数据。系统对数据存储器的基本要求是存储容量要大，掉电数据不轻易丢失，能保存较长时间，易于扩展容量。基于以上要求，选用了遵循总线串行扩展技术的24C256。单片机和24C256 之间的数据交换完全遵照IIC 总线的规定，即单片机作为主机，24C256 作为从机，所有操作都是由SDA 和SCL 2 个脚位的状态（共有4 个状态：开始、停止、数据和应答） 来确定。24C256 和单片机的连接图如图8 所示。

　　图8 　24C256 和单片机连接图

　　1.2.7  时钟模块

　　采纳实时时钟芯片DS12C887 为系统产生时间基准，它和单片机的连接如图9 所示。可当作单片机的外部RAM处理，通过P0 口对DS12C887 进行操作，通过其中断引脚IRQ向单片机发出中断，使单片机读出时间。

　　图9 　DS12C887 和单片机连接图

　　2 软件设计

　　系统软件框图如图10 所示。一级目录分为上位机程序、通信程序和下位机程序；二级目录分为数据采集程序模块、模拟多路开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

操纵程序模块、数据处理程序模块、下位机通信程序模块、上位机通信程序模块、显示程序模块、存储程序模块、时钟程序模块以及键盘操纵模块。每个二级程序模块又由更小的函数组成，这样的设计方法轻易修改和测试。

　　3 结语

　　软件程序设计按照自顶向下的原则，按功能模块化划分采纳C 语言编程实现各模块功能，以子程序的形式进行封装对外部提供规定的接口，再按照系统流程要求进行模块组合最后实现整个系统。

  来源:alexe

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