實用的分布式數據采集和控制系統

液體的液位測量在工業生產中非常普遍,應用領域也比較廣,例如：自來水位的測量和控制,石油管道和儲油罐的油位的測量等。高精度的傳感器可用于這些測試系統中來感知傳遞壓力、流量、 溫度等信號,把這些信號變成電信號,然后經過放大、a/d轉換、送入單片機處理后,最后發送到遠方的pc機,這樣可實現對現場的液位情況進行實時監控,從而向被控單元發出指令,采取相應的動作。整個系統的框圖如下：

二 具體的實現過程

1. 放大部分：tlc4502－雙路自校準低噪聲高速運算放大器的應用。

集成運算放大器種類很多,在各類儀表及控制電路中要求運算放大器必須具有高精度,高共模抑制比和低溫漂等性能。目前采用的精密運算放大器都具有外接調零電位器輸入端,應用時首先對其失調調零。由于電路復雜,給調試帶來不便。美國ti儀器公司研制生產的tlc4502精密型雙運算放大器,采用自動校準技術,在上電時將輸入失調電壓自動調整為零,使用起來十分方便,同時也節省了pcb板和外部分離元件,該器件的管腳排列如下圖所示：

tlc4502自動校準運算放大器在片內利用對數字與模擬信號的處理,可在上電時輸入失調電壓自動校準為零。完成自動校準一般需要300ms的時間,連續校準時可在（±）3μv范圍內反復進行。一旦校準完成,大部分校準電路將脫離信號通道并被關斷,這樣,校準電路對信號通道幾乎無影響,這也使得tlc4502在校準周期結束之后可以完全象其他精密運算放大器一樣使用。

tlc4502具有高精度,高增益,良好的電源抑制比,驅動能力強等特點,可廣泛應用于數據采集,數字音頻,工業控制等領域。在本系統中,用來放大從傳感器出來的微弱信號,具體電路如圖１：

2． a/d轉換部分。tlc1549－帶串行控制的10位模數轉換器的應用。

從放大器出來的電壓信號進入到a/d轉換器以形成單片機便于處理的數字信號。在該設計中,采用了美國ti公司生產的10位模數轉換器tlc1549。它采用cmos工藝,具有內在的采樣和保持,采用差分基準電壓高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準轉換范圍,總不可調整誤差達到（±）1lsb max(4.8mv),占地面積小等特點。

其工作原理為：在芯片選擇（/cs）無效情況下,i/o clock最初被禁止且data out處于高阻狀態。當串行接口把/cs拉至有效時,轉換時序開始允許i/o clock工作并使data out脫離高阻狀態。串行接 口然后把i/o clock 序列提供給i/o clock并從data out接收前次轉換結果。i/o clock從主機串行接口接收長度在10和16個時鐘之間的輸入序列。開始10個i/o時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序。在/cs的下降沿,前次轉換的msb出現10個時鐘長度 ,那么在10個時鐘的下降沿,內部邏輯把data out拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常進行的轉換周期內,規定時間內/cs端高電平至低電平的跳變可終止改周期,器件返回初始狀態（輸出數據寄存器的內容保持為前次轉換結果）。由于可能破壞輸出數據,所以在接近轉換完成時要小心防于止/cs被拉至低電平。時序圖如圖２：
由于它采用串行輸出的方式,占地面積小,方便靈活,與單片機的接口也簡單,電路如圖３：
該軟件部分為,其中,入口參數：使用累加器a,進位標志cy及工作寄存器r7;出口參數：20h單元存放轉換結果的低8位,21h單元存放轉換結果的高2位。

aadccon： mov 20h,#00h

mov 21h,#00h ;結果單元清零

mov r7,#0ah ;a/d轉換位數標志

clr p1.4 ;選通tlc1549

loop1： mov c,p1.0 ;讀轉換結果送至cy

mov a,20h ;轉換結果移至結果單元

rlc a

mov 20h,a

mov a,21h

rlc a

mov 21h,a

setb p1.2 ;形成移位脈沖

clr p1.2

djnz r7,loop1 ;轉換結束否？

setb p1.4 ;tlc1549復位并進行一次轉換

ret ;上述程序執行時間約120μｓ

3． ｒs485接口芯片部分－75lbc184

放大的電壓信號經過a/d轉換由單片機處理后,要傳送到遠方的pc機,以便達到實時監控的目的。以單片機為主體構成的分布式數據采集和控制系統,因為其電路結構簡單,工作可靠性高而被廣泛應用在工業控制中。目前廣泛使用的單片機產品都集成了串行通信接口,使用串行通信接口,通過rs485接口驅動芯片就可以構成總線型通信網絡,把多臺單片機系統連接成一個分布式數據采集和控制系統。但為了克服單片機的不足,引入了pc機,采用主從式結構模式,即pc機為主機,分布在現場的各個單片機系統為從機,其結構如下圖所示。

pc機串行口為標準的rs232口,根據標準規定：rs232采用負邏輯,并且傳輸距離短,一般用于20m以內的通信。而對于大多數分布式控制系統,通信距離為幾十米到幾千米不等,因此,rs232接口不能滿足系統的要求,目前廣泛采用的是rs485收發器。rs485收發器采用平衡發送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力,加上收發器具有高的靈敏度,能檢測低達200mv的電壓,故傳輸信號在千米以外得到恢復。在這種分布式控制系統中,通信是系統的關鍵,是系統設計時首要考慮的問題。而如何有效可靠地實現rs232與rs485之間的轉換是系統通信實現的前提。

在該設計中,使用了ti公司生產的一種rs485接口芯片75lbc184,它使用單一電源vcc,電壓在＋3～＋5.5v范圍內都能正常工作,能完成ttl與rs485之間的轉換。其引腳如下圖所示：該芯片與普通的rs485收發器相比,有一個顯著的特點,那就是片內a、 b引腳接有高能量順變干擾保護裝置,可以承受峰值為400w（典型值）的過壓順變,故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環境比較惡劣的現場,可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設計,當輸入端開路時,其輸出為高電平,這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時,不影響系統的正常工作。另外,它的輸入阻抗為rs485標準輸入阻抗的2倍（≥24ｋω）,故可以在總線上連接64個收發器,其工作原理如圖4 所示。

在該設計中,經過單片機處理的信號,經過75lbc184與外圍電路形成的rs232/rs485電平轉換器電路,然后傳到遠方的pc機進行實時監控。具體實現的電路如圖５：
在該電路中,使用了三片光電耦合器tlp521進行隔離,使得pc機與sn75lbc184之間完全沒有了電的聯系,提高了工作的可靠性,其工作原理為： 當rs232的rts端為邏輯電平1（－12v）時,光電耦合器的發光二極管不發光,光敏三極管不導通,輸出電平為ttl的邏輯電平1（＋5v）,選中rs485接口芯片的de端,容許rs485接收,這樣,rs232的txd端就可以發送數據（工作邏輯與rts端相似）。當rs232的rts端為邏輯電平0（＋12v）時,光電耦合器的發光二極管發光,光敏三極管導通,輸出端為ttl的邏輯電平0（0v）,選中rs485接口芯片的re端,容許rs485發送。rs485的r端工作時,當其輸出為邏輯電平1時,光電耦合器的發光二極管不發光,光敏三極管不導通,借助rs232輸出停止時其txd電平為－12v,電容被充電到－12v,使其輸出也為－12v,即邏輯電平1;當其輸出為邏輯電平0,光電耦合器的發光二極管發光,光敏三極管導通,使其輸出也為＋5v,也在rs232邏輯電平0的范圍之內,即為邏輯電平0。這樣,根據pc機和單片機之間的協議,就可實現二者交互式的通信。

4． 電源部分

電源的穩定性是整個系統能夠正常工作的基礎,在本設計中,所有的器件都采用常用的＋5v的電壓,為了提高電壓的穩定性,采用了ti公司生產的固定正輸出、低壓差穩壓器tl750l05。tl750l05必須有輸出電容,沒有輸出電容,則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀,鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化,加輸出電容后,可以抑制上述現象,輸出電容的范圍在0.1uf~1uf內。電路如圖６所示：

三 結 束 語

由ti公司的模擬產品tlc4502、tlc1549、sn75lbc184、tl750l05和atmel公司的單片機at89c2051構成的分布式數據采集和控制系統,現已用于監測石油管道的壓力,流量和溫度等參量,性能良好。該系統的特點為：面積小,占地為5cmχ6.5cm;性能好,系統運行穩定,同時處理幾個物理參量,進行實時監控;操作簡單方便。