1、本科畢業論文(科研訓練、畢業設計)題 目：基于MODBUS協議的模擬量采集卡的設計與實現姓 名： 學 院：信息科學與技術學院系：自動化系專 業：自動化年 級：2001級學 號：指導教師（校內）： 職稱：講師指導教師（校外）： 職稱：2005年 6月 1日基于MODBUS協議的模擬量采集卡的設計與實現摘要 在工業現場中，常常需要進行各種數據采集與監測，并與上位控制中心進行數據交換。本文介紹了基于MODBUS通訊協議的模擬量采集卡的軟硬件設計與制作。本采集卡可以通過軟件分時采集8路模擬量信號，并可適應不同輸入電壓范圍，在各種實際場合中很常見，是一種典型的數據采集卡。針對數據的遠程通信，使用基于MO

2、DBUS協議的RS485總線通信方式。系統軟件采用MCS-51匯編語言編寫。關鍵詞 單片機 模擬量采集 MODBUS 抗干擾Abstract In the industrial field, its often need to gather and monitor various kinds of data, and exchange data with master control center. This paper introduces the hardware and software design and the manufacture of the analog-data-acqu

3、isition card which is based on MODBUS protocol. This card provides 8 analog input channels that are independently software programmable for a variety of ranges, and it is very common in various kinds of actual situation, is one of typical data-acquisition card. To the long-distance communication of

4、data, use the RS485 bus communication based on MODBUS protocol. The system software uses the MCS-51 assembly language compilation.Key Words: MCU analog-data-acquisition MODBUS anti-jamming目錄引言5第一章 原理圖的設計和PCB版布線81 系統總體設計82 繪制原理圖93 PCB板布線104 本章小結11第二章 系統硬件組成121 AT89C51單片機122 MAX197模數轉換器122.1 MAX197性能介

5、紹132.2 MAX197的使用方法152.3 AT89C51單片機對MAX197的控制163 6N137光耦合器164 通訊接口175 其他186 本章小結20第三章 系統抗干擾措施211 光電耦合212 低通濾波223 供電系統干擾的抑制224 本章小結23第四章 系統的軟件設計241 Modbus協議簡介242 模擬量采集子程序編寫253 通訊部分程序框圖274 本章小結29結論30致謝語31參考文獻32附錄 Protel軟件介紹331 軟件簡介332 使用方法介紹332.1原理圖繪制342.2生成網絡表342.3 PCB板布線34引言隨著我國工業水平的提高，工業現場的測量控制越來越重要

6、，測量的精度，數據的穩定性等指標均有了較大的提高。一個良好的數據采集卡能夠為復雜環境下的數據采集帶來很多便利。下面將著重介紹工業現場的一些特點，以及數據采集的相關信息。一、工業控制現場的特點隨著科技的發展，危險而復雜的工業現場已經慢慢轉變為較少人為干預的安全簡單的操作環境，人們不需要進入工業現場，轉而由機器自動控制，代替人們從事危險的工作。機器必須能實時采集現場數據，對工業現場進行本地或遠程的自動控制，對工藝流程進行全面、實時的監視，并為生產、調度和管理提供必要的數據。對于不同的工業現場，其特點各不相同。化工方面，常常有危險的氣體、液體，對人體有害。電氣方面，常常表現為高電磁輻射、劇烈的溫度變

7、化、多種多樣的噪聲干擾。其他的還有燃氣、污水處理、排污監控、水文監測、石油、冶金等行業的現場。基于以上的特點，就要求一個良好的數據采集卡必須具備以下的特點：現場測控功能強，性能穩定，可靠性高；測控點數多，測控精度高，測控速度快；使用壽命長，能夠抵抗一定的物理、化學破壞；等等。二、數據采集人們在認識世界和改造世界的過程中，一方面要采用各種方法獲得客觀事物的量值，另一方面也要采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進程結果。因此測量和控制是人類認識世界和改造世界的兩項工作任務，而數據采集則是測控儀器和系統實現任務的工具和手段。因此，數據采集就是利用計算機技術采集、記錄、顯示和分析生產現場的各種物理參量

8、，以供生產管理人員和現場操作者參考的系統。數據采集技術是信息科學的重要分支，是傳感器、信號獲取、存儲與處理等信息技術的結合。將外部世界存在的溫度、壓力、流量、位移、液位等轉換為模擬或數字信號，再傳送到計算機作進一步處理的這一過程，即“數據采集”。數據采集已在工農業、醫藥衛生、生態環保、航空航天、軍事、氣象等領域得到了廣泛的應用。可以通過對信號的測量、處理、控制及管理，實現測、控、管的自動化與系統化。當前，數據采集與測控技術已是當代促進生產的一個主流環節，已廣泛應用于電力、電子、冶金等行業。它從生產現場獲取各種參數，運用科學規律和系統工程的作法綜合有效地利用各種先進技術，使每個生產環節得到優化進

9、而保證生產規范化，提高產品質量，降低成本，滿足需要，保證安全生產。隨著計算機技術的發展，數據采集技術已進入我國的各種生產領域，并得到了迅速的發展。由此也形成了一門新的研究領域。數據采集涉及的內容十分廣泛，它包含多方面，多層次的研究任務，可以歸納為基礎理論研究、開發技術研究和生產應用研究三個主要方面。第一，數據采集技術的基礎理論研究，是指對數據采集的概念、現象、對象、原理、本質和規律等基本問題的理論描述。概念是構成理論的基本要素，是對事物特征的概括性的表述。第二，數據采集開發技術的研究。數據采集技術的實施必須要根據生產實踐的需要，以基礎理論為指導，運用計算機科學技術的優勢，開發適合于特定對象的數

10、據采集系統。這就需要積極的開發和探索研究數據采集技術的有關理論和方法。當前數據采集的研究有：采集算法的研究、集成電路的研究、現場總線技術的研究、傳感器技術的研究、抗干擾技術的研究等。第三，生產應用研究。數據采集的理論與技術，歸根到底是要用于生產實踐當中的。它的形成與發展固然與計算機科學技術的發展相聯系，但如果沒有運用科學的研究方法，開展生產實踐活動，就無法揭示數據采集研究的本質規律，也只能停留在簡單了解和膚淺的認識水平上，數據采集的理論與技術水平就不能提高并向前發展。三、模擬量采集的一般方法在工業生產過程中，被測參數，如溫度、流量、壓力、液位、速度等都是連續變化的量，稱為模擬量。而單片機處理的

11、數據只能是數字量，所以數據在進入單片機之前，必須把模擬量轉換成數字量（也即A/D轉換）。需要用到的主要器件有：多路開關、采樣保持器、A/D轉換器等，其中A/D轉換器是核心部件。A/D轉換器的種類很多，就位數來分，有8位、10位、12位等，位數越高，其分辨率也越高，但價格也越貴。就結構而言，有單一的A/D轉換器（如ADC0801、AD673等），有內含多路開關的A/D轉換器（如ADC0809、ADC0816均帶多路開關）。隨著大規模集成電路的發展，又生產出多功能A/D轉換芯片，AD363就是它的一種典型芯片。其內部具有16路多路開關、數據放大器、采樣保持器及12位A/D轉換器，其本身就已構成一個

12、完整的數據采集系統。近年來，隨著微型計算機的大量使用，出現了許多物美價廉的A/D轉換器，如本采集卡所使用的由MAXIM公司生產的MAX197等。四、通訊方式的選擇采集卡的上單片機并不能進行較為復雜的處理功能，在實際中需要通過上位控制中心使用電腦等強大的工具進行數據處理和顯示。因此采集卡和主機的通訊顯得尤為重要。而在工業現場的復雜環境中，可靠的通訊方式就決定了整個系統的穩定性。總線是信息傳送的通道，是各部件之間的實際互聯線。常用的接口總線有并行總線和串行總線兩種。常見的串行總線有：本采集卡用到的MODBUS總線、CAN總線、RS232總線等。工業控制已從單機控制走向集散控制，如今已進入網絡時代，

13、工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。Modbus就是工業控制器的網絡協議中的一種。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。另一種常見的總線是CAN總線。CAN總線的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN。在汽車的電子行業里，使用CAN連接發動機控制單元、傳感器、防滑系統等，其傳輸速度可達1Mbps。同時，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等，用以代替接線配線裝置

14、1。其他的總線及通訊方式這里就不做過多介紹，更多的信息可以查看文末的參考文獻。第一章 原理圖的設計和PCB版布線本章著重介紹本模擬量采集卡的總體思路和設計過程。首先給出本卡的硬件原理框圖，然后通過Protel軟件進行原理圖的設計及PCB板布線。1 系統總體設計本模擬量采集卡為12位模擬量采集系統，使用基于MODBUS協議的RS485總線通信方式，可以通過撥碼開關來選擇本卡地址以及波特率。本卡接收總線的數據并判斷是否為本卡地址，如果是，繼續接受數據并判斷主機的命令，完成主機所要求的任務；如果不是，返回繼續接收總線數據，循環判斷。設計本模擬量采集卡大致上可以分為三個階段：擬制系統方案、前期知識準備

15、；選擇元件、繪制電路原理圖；硬件制作、軟件調試、性能測定。以下對各階段的工作內容和設計原則做一簡要的敘述。一、擬制系統方案、前期知識準備首先根據模擬量輸入的要求，制定具體計劃，為接下去的工作做好準備。本模擬量采集卡的硬件主要分兩部分, 分別完成數據采集和通訊的功能。本卡以單片機作為主體，采集的是模擬量信號，需要使用數模轉換器，選擇芯片型號是關鍵的一點。然后由于需要制作電路板，因此必須學習使用Protel這個強大的軟件。通過各種參考書及資料，掌握這個軟件的使用方法。具體信息請見附錄中的Protel簡介。二、選擇元件、繪制電路原理圖首先由需求選定合適的芯片。這里主要從：價格、參數要求、供求信息等方

16、面決定元件的使用。對于系統的核心單片機，選用AT89C51。對于數模轉換的關鍵芯片，選用MAX197。通訊接口是采集卡的另外一個組成部分。選取MAX483作為RS-485通訊的收發器。并選用6N137作為輸入輸出隔離器。它們的具體性能參數請見第二章。然后確定系統的原理框圖。系統設計的原理框圖見下圖，包括系統的主要部件：單片機MAX197數模轉換芯片8路模擬量接口光電隔離RS-485總線接口RS-485總線處理芯片復位晶振撥碼開關鎖存器圖1.1 系統原理框圖接下來在充分熟悉Protel的基礎上，繪制此模擬量輸入卡的電路原理圖。系統原理說明：8位機械開關配合電阻電容網絡形成數字量信號，通過74LS

17、244鎖存器將所需的控制信息寫入單片機（這里用于設定傳輸速率）。8路模擬量首先經有源低通濾波器，以消除高次諧波和大部分高頻噪聲信號，減輕在進行諧波分析時出現的頻譜混疊現象。然后通過光耦合器，接著通過MAX197數模轉換后分2次將12位（8+4）數據送入單片機，然后通過MAX483將數據送出以及進行通訊。三、硬件制作、軟件調試、性能測定使用Protel進行PCB板布線，制作出PCB板，通過電腦使用單片機仿真器對設計所要求的全部功能進行測試和評價，以確定系統是否符合預定性能指標。若發現某一項功能或指標達不到要求時，則應相應變動硬件或修改軟件，重新調試，直到滿足要求為止。采集卡與主機的通信采用MOD

18、BUS協議。 MODBUS是應用于電子控制器上的一種通用語言。此協議定義了一個控制器能認識的消息結構, 而不管它是經過何種網絡進行通信的。它描述了一種控制器請求訪問其他設備的過程, 回應來自其他設備的請求, 以及怎樣偵測錯誤并記錄。在系統開發過程中，軟件設計的工作量比較大，應盡量采用結構化設計和模塊化方法編制程序，這對程序的修改和調試十分有利。2 繪制原理圖原理圖的繪制過程和方法這里不做贅述，需要指出的是，原理圖中有幾個芯片在Protel的零件庫中沒有，需要自己畫，見下表1.1：表1.1 新增元件元件MAX4838個并排的電阻光耦合器6N137元件圖其繪制方法參見附錄中的Protel軟件介紹。

19、這些元件的封裝都是常見的封裝格式，在Protel的封裝庫中已有，不需要自己制作。系統總體原理圖見下圖：圖1.2 系統原理圖3 PCB板布線PCB板布線的過程和方法這里同樣不做贅述。其中覆銅用于隔絕噪聲，對于焊盤補淚滴可以使焊盤更牢固。插口類的器件分布在PCB板的四周，單片機位于中央，容易發熱的器件也得到了很合理的布置。PCB板布線圖見下圖1.3：圖1.3 PCB板布線圖4 本章小結本章對這個模擬量采集卡進行宏觀介紹，并給出了Protel原理圖和PCB板的布線圖。關于原理圖的繪制過程和PCB板的布線過程和方法等這里不做詳細介紹，在本論文的附錄中帶有Protel軟件介紹。第二章 系統硬件組成本模擬

20、量采集卡的硬件主要分兩部分, 分別完成數據采集和通訊的功能。具體分為：單片機、開關量參數輸入模塊、數模轉換模塊、MODBUS總線通訊模塊、抗干擾模塊（光電隔離、低通濾波）等。系統硬件框圖請參見第一章第一節圖1.1。圖2.1 AT59C51引腳圖1 AT89C51單片機該系列單片機是采用高性能的靜態80C51設計。由先進CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器。全部支持12時鐘和6時鐘操作。此外，由于器件采用了靜態設計，可提供很寬的操作頻率范圍（頻率可降至0）。可實現兩個由軟件選擇的節電模式：空閑模式和掉電模式。空閑模式凍結CPU，但RAM、定時器、串口和中斷系統仍然工作。掉電模式保存

21、RAM的內容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內功能停止工作。由于設計是靜態的，時鐘可停止而不會丟失用戶數據。運行可從時鐘停止處恢復。圖2.2 MAX197引腳圖AT89C51是80C51微控制器的派生器件，是采用先進CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統與80C51完全相同。該器件有4組8位I/O口、3個16位定時/計數器、多中斷源-4中斷優先級-嵌套的中斷結構、1個增強型UART、片內振蕩器及時序電路。其引腳見圖2.1。在本模擬量采集卡中，AT89C51和數模轉換器的連接參見2.3節。2 MAX197模數轉換器按照本模擬量采集卡的設計要求，模數(A/D)轉換芯片的選擇既要有適當的精度，還

22、要有盡可能高的集成度和轉換速度，同時也要考慮到芯片的性價比。經過綜合考慮，選用MAXIM（美信）公司的12位DAS(data-acquisition system數據采集系統）MAX197接口芯片。它的引腳見圖2.2。它和CPU的接口電路如圖2.3所示。MAX197是一種多路輸入、多量程(10V，5V，+10V，+5V)、單電源供電（+5V）、分辨率為12位、8+4總線接口、轉換時間6us的逐次漸進式數據采集系統。它不僅能提供8路模擬輸入通道，還能對不同模擬輸入電壓進行編程，從而大大擴大它的動態范圍（14位）。它有標準的微機接口。三態數據I/O口用作8位數據總線，數據總線的時序與絕大多數通用的

23、微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。另外，該芯片還具有故障變換保護電路（對輸入多路轉換器），當任何通道上發生故障時，并不影響選擇通道的轉換結果。使用片內電壓，在REFADJ與REF端分別獲得精度為1.5%電壓2.5V和4.096V。其中4.096V是通過片內緩沖器放大輸出2。2.1 MAX197性能介紹MAX197具有如下特點3： 12位分辨率，1/2LSB線性度 單+5V操作供電 軟件可選的輸入范圍：10V，5V，0V至10V，0V至5V 故障變換保護電路（對輸入多路轉換器）(16.5V) 8 路模擬輸入通道 6s轉換時間，100ksps采樣頻率 內部或外部采集模式

24、內部4.096V或外部基準電壓 兩種掉電模式 內部或外部時鐘MAX197的引腳定義如表2.1所示：表2.1 MAX197引腳定義引腳名稱功能1CLK時鐘輸入。在外部時鐘模式，用一個TTL/CMOS適合的時鐘驅動CLK。在內部時鐘模式，從此引腳到地之間放一個電容來設置內部時鐘頻率。典型例子：電容CCLK = 100pF時fCLK = 1.56MHz2片選，低電平有效。3當為低電平時，在內部采集模式，的一個上升沿鎖存控制字，然后開始采樣及一個轉換周期。當為低電平時，在外部采集模式，第一個的上升沿使采樣保持器開始采樣，然后的第二個上升沿（這時ACQMOD=O）使采樣保持器進入保持期并開始一個轉換周期

25、。4如果為低電平，的一個下降沿將允許數據總線的一個讀操作。5HBEN用來擴充至12位轉換結果。為高電平時，4 MSBs被擴充至數據總線；為低電平時，8 LSBs在數據總線上可用。6關閉。低電平時將設備轉換到完全掉電(FULLPD)的模式。710D7D4三態數字I/O接口。11D3/D11三態數字I/O接口。D3輸出(HBEN為低電平)，D11輸出(HBEN為高電平)。12D2/D10三態數字I/O接口。D2輸出(HBEN為低電平)，D10輸出(HBEN為高電平)。13D1/D9三態數字I/O接口。D1輸出(HBEN為低電平)，D9輸出(HBEN為高電平)。14D0/D8三態數字I/O接口。D0

26、輸出(HBEN為低電平)，D8輸出(HBEN為高電平)。D0為LSB。15AGND模擬地。1623CH0CH7模擬量輸入通道。24轉換結束時變為低電平，輸出的數據準備就緒。25REFADJ帶隙基準電壓輸出/外部調整引腳。通過一個0.01F的電容接到模擬地。當在REF引腳使用外部基準時，連接到VDD。26REF緩沖器基準電壓輸出/ADC基準輸入。在內部基準電壓模式，基準緩沖器提供一個4.096V的標準輸出電壓，在REFADJ外部可微調。在外部基準模式，通過將REFADJ接到VDD來禁用內部緩沖。27VDD+5V電源，經0.1F電容到模擬地。28DGND數字地。MAX197的工作模式由控制字決定，

27、控制字格式如下：表2.2 控制字格式D7(MSB)D6D5D4D3D2D1D0 (LSB)PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0位名稱描述7, 6PD1, PD0這兩位選擇時鐘和電源關閉模式（見表：2.4）5ACQMOD0為內部采集模式（6時鐘循環）；1為外部采集模式4RNG選擇輸入的全部電壓范圍（full-scale voltage magnitude）。（見表：2.3）3BIP選擇單極或雙極轉換模式（見表：2.3）2、1、0A2, A1, A0這3位是輸入模擬量的地址位以選擇打開的通道（見表：2.5）范圍和極性選擇：表2.3 范圍和極性選擇BIPRNG輸入范圍（伏）000至501

28、0至101051110時鐘和電源關閉模式選擇： 表2.4 時鐘和電源關閉模式選擇PD1PD0設備模式00正常操作；外部時鐘模式01正常操作；內部時鐘模式10待機電源關閉模式(STBYPD)；不影響時鐘模式11全部電源關閉模式(FULLPD)；不影響時鐘模式模擬量輸入通道選擇：表2.5 通道選擇A2A1A0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7000001010011100101110111數據總線輸出：表2.6 數據總線引腳HBEN為低電平HBEN為高電平D0B0 (LSB)B8D1B1B9D2B2B10D3B3B11 (MSB)D4B4B11 (BIP = 1) / 0 (BIP

29、= 0)D5B5B11 (BIP = 1) / 0 (BIP = 0)D6B6B11 (BIP = 1) / 0 (BIP = 0)D7B7B11 (BIP = 1) / 0 (BIP = 0)2.2 MAX197的使用方法當開始寫操作時，轉換就開始了。寫入控制字操作將選擇多路通道，并確定MAX197的輸入范圍是單極性還是雙極性。一個寫脈沖(+)可以開始一次采集，或者對采樣進行初始化并開始轉換。采樣結束時，產生一次中斷。寫入控制字節的ACQMOD位對于采集方式提供兩種選擇：內部或外部。對任何時鐘模式和采集模式，轉換間隔都延時12個時鐘周期。若在轉換周期寫一個新的控制字節將使轉換失效,并啟動一次

30、新的采集過程。基于MAX197芯片的數據采集系統有以下兩種采樣模式：1、外部采集模式采用外部采集方式可以更精確地控制采樣間隔和轉換。MAX197有8路模擬量輸入通道，每個通道在外部設一個采樣保持器，以保證各參數均在同一時刻采樣。8個模擬量參數經過多路開關，分時的接通送入MAX197的通道1或選用其他通道。用戶通過2個脈沖控制采集和啟動轉換。在第一個寫脈沖中，要使ACQMOD位=1，它將啟動一次采集。在第二個寫脈沖中，要使ACQMOD位=0，在的上升沿結束采集并開始轉換。在發第一和第二個寫脈沖時，多路輸入通道的地址位值必須一樣。在第二個寫脈沖中，低功耗模式位(PD0、PD1)可以設一個新值。2、

31、內部采集模式如果被測電壓信號符合MAX197芯片的輸入電壓范圍，并且被測電壓信號不需要放大，則可直接輸入，采用內部采集模式，以提高整個信號處理的通過率。當外接2MHz時鐘頻率時，可獲得100Ksps的通過率。通過寫控制字節的ACQMOD位為0，選擇內部采集方式。此方式產生一個脈沖初始化采集間隔，這個時間是內部定時的。當6個時鐘周期采集間隔(在fCLK=2MHz時為3s)結束時，轉換開始。當轉換結束產生一個正確的結果時，芯片發出一個標準的中斷信號給單片機。在第一個讀周期或者寫一個新控制字節時，就變為高電平。2.3 AT89C51單片機對MAX197的控制AT89C51單片機對MAX197的控制如

32、圖2.3所示：單片機的P0口作為數據總線和MAX197的AD0AD7連接，用來向MAX197寫入控制字以及讀取轉換結果。單片機的P1.2連接至MAX197的HBEN，用來選擇低8位和高4位。MAX197的中斷輸出連接至單片機的，用來傳遞中斷信號。MAX197的接至高電平，使其工作在正常的方式。讀寫的控制信號、對應連接。MAX197的片選信號由3-8譯碼器提供。MAX197的REFADJ、REF、CLK等引腳如圖所示連接。單片機P00 P07P12MAX197AD0 CH0 AD7 CH7 HBEN REFADJ REF CLK模擬量輸入VCC220P0.014.7圖2.3 單片機和MAX197

33、的連接3 6N137光耦合器12345678圖2.4 6N137結構原理圖6N137用于需要在輸入和輸出之間進行高電壓隔離的高速數字接口上。它的應用包括線性接收器，微處理器或計算機接口，由浮動電源供應的數字編程及其他控制系統。6N137的結構原理如圖2.4所示，信號從腳2和腳3輸入，發光二極管發光，經片內光通道傳到光敏二級管，反向偏置的光敏管光照后導通，經電流-電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高電平時與門輸出高電平，經輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接受電路加上拉電

34、阻或電壓調整電路4。電路中6N137的接法如下圖所示5：圖2.5 6N137在系統中的接法圖2.6 MAX483引腳圖4 通訊接口通訊接口的硬件設計即實現RS-485網絡的物理層。單片機串口為TTL電平，需要通過電平轉換芯片轉換成RS-485標準的電平。轉換芯片可選型號很多，這里選用MAX483，其引腳圖見圖2.6，在電路原理圖中的接法見下圖2.7。在IN、OUT、OUT1端連接光電耦合器，以防止單片機上電時對RS-485總線的干擾以及工業現場通過總線引入的各種干擾。圖2.7 通訊部分接口MAX481、MAX483、MAX485、MAX487MAX491以及MAX1487是用于RS-485與R

35、S-422通信的低功耗收發器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限擺率驅動器，可以減小電磁干擾（EMI），并降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，實現最高250kbps的無差錯數據傳輸。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驅動器擺率不受限制，可以實現最高2.5Mbps的傳輸速率。MAX483為半雙工應用設計，具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅動器輸出置為高阻狀態，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。下表2.7為MAX483的引腳真值表。

36、表2.7 MAX483引腳定義，X = 無關；High-Z = 高阻；* MAX483的關閉模式發送： 接收：輸入輸出DEDIZYX1101X101000XHigh-ZHigh-Z10XHigh-Z*High-Z*輸入輸出DEA-BRO00 +0.2V100B 200mV，則RO為高電平；若AB 200mV，則RO為低電平。接收器輸出使能。當為低電平時，RO有效；當為高電平時，RO為高阻狀態。DE驅動器輸出使能。DE變為高電平時，驅動器輸出Y與Z有效；當DE為低電平時，驅動器輸出為高阻狀態。當驅動器輸出有效時，器件被用作線驅動器。而高阻狀態下，若為低電平，則器件被用作線接收器。DI驅動器輸入。

37、DI上的低電平強制輸出Y為低電平，而輸出Z為高電平。同理，DI上的高電平強制輸出Y為高電平，而輸出Z為低電平。GND地。A接收器同相輸入端和驅動器同相輸出端。B接收器反相輸入端和驅動器反相輸出端。VCC正電源：4.75VVCC5.25V低功耗關斷模式高電平、DE低電平使器件進入低功耗關斷模式。驅動器與接收器都被禁用時，器件才進入關斷模式。關斷模式下，器件吸取電源電流的典型值為0.1A。可以同時驅動和DE；只要為高電平且DE為低電平的持續時間小于50ns，可以確保這些器件不會進入關斷模式。若兩個輸入端維持這種狀態至少600ns，則可確保這些器件進入關斷模式。對于MAX483，tZH與tZL使能期

38、間假定器件并未處于低功耗關斷狀態。在tZH(SHDN)與tZL(SHDN)使能期間假定器件已被關斷。在低功耗關斷狀態下激活驅動器和接收器(tZH(SHDN)，tZL(SHDN) 要比在工作模式下激活驅動器和接收器( tZH，tZL) 需要更長的時間。( 若、DE輸入等于邏輯0、1，或1、1，或0、0，則這些器件處于工作模式)5 其他本采集卡還具有其他接口、芯片。例如3-8譯碼器、各種插口、多路開關等。下面進行簡要介紹。一、信號端子包括模擬量輸入用的2個插口、電源插口、RS485總線及電源端子（包括一總線終端匹配電阻跳線）。2個模擬量輸入插口是為了適應各種不同測量儀表的接口。電源插口分為2路電源

39、供電，這是為了抗干擾，請參考第三章圖3.2。這類部件基本上僅用于插接，不含任何電氣特性。在RS-485接口電路的硬件設計中，需要考慮總線匹配的問題，以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲。采用MAX483作為接口時可以不加終端匹配。當考慮終端匹配時，有多種匹配方案可以選擇，最簡單的是在總線兩端各接一個阻值等于電纜特性阻抗的電阻。大多數雙絞線特性阻抗大約在100至120之間。這種方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大電流，對于功耗限制比較嚴格的系統不太合適 ,另外一種比較省電的匹配方案是RC匹配，利用一個電容隔斷直流成分可以節省大部分功率，但電容的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行

40、折衷。還有一種采用二極管的匹配方案，這種方案雖未實現真正的“匹配”，但它利用二極管的鉗位作用迅速削弱反射信號，達到改善信號質量的目的。在本采集卡中使用電阻匹配方案，通過跳線在位于總線兩端的差分端口之間跨接120匹配電阻。設置如下：ON： 端口接入終端匹配電阻（阻值120歐）；OFF：端口取消終端匹配電阻二、3-8譯碼器這塊3-8譯碼器用于片選，可以選通74LS244鎖存器和MAX197數模轉換器。采用常見的74HC138，其引腳信號真值表如下表2.9所示6：表2.9 74HC138譯碼器真值表輸入輸出使能選擇G1*CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1XXX111111110XXXX111

41、1111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110注：*=G2A+G2B。X=無關三、開關量輸入模塊分為2個部分：首先8位撥碼開關配合電阻電容網絡形成數字量信號，然后通過74LS244鎖存器將所需的控制信息寫入單片機（這里用于地址及波特率選擇），同時也可以用來調試。設定的傳輸速率見表：2.10。設定的信息在通訊程序中進行處理，可以更改通訊數據的傳輸速度。表2.10 傳輸速率設定JP7JP8BPSOFFOFF2400OFFON48

42、00ONOFF9600ONON19200四、模擬量輸入抗干擾模塊分為3個部分：光電隔離、低通濾波器、多路開關。其中光電隔離使用和通訊用光電隔離相同的芯片，即6N137。低通濾波器使用MAX293，第三章第二節有更詳細的信息。8位多路開關用于將8路模擬量共用1路光電隔離和低通濾波。6 本章小結本章分幾個部分介紹了系統的硬件組成，其中主要部分進行了詳細的說明，而一些常見的部分則較為簡略。在所有的芯片中，數模轉換器MAX197無疑是最關鍵的芯片，它是整個采集卡的核心，采集卡的性能、穩定性均取決于這塊芯片，采集部分程序的設計也以這塊芯片為主體。各芯片的連接方式通過圖片中的引腳網絡標號來表示，也可以參考

43、第一章第一節的圖1.1。第三章 系統抗干擾措施在數據采集的通信通道和硬件電路中總難免串入這樣或那樣的隨機干擾，從而使采集到的數據中存在誤差，這種因隨機干擾而引入的誤差稱為隨機誤差。而在工業現場中，各種干擾尤為嚴重，需要處理的信號既有微弱到毫伏級的小信號，又有數十伏的大信號；從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。在檢測系統中造成干擾會使測量指示產生誤差；在控制系統中造成干擾可能導致誤操作，因此為使測控系統正確操作必須研究抗干擾技術。對于一個控制系統，抗干擾設計可以從兩個方面來進行，一是采取硬件措施抗干擾，另外還可采取軟件措施抗干擾，絕大多數情況下，這兩方面的措施應該同時進行。硬件抗干

44、擾技術通常包括接地技術、屏蔽技術、長線傳輸的抑制技術、共模和差模干擾的抑制技術、供電系統的抗干擾技術、印刷電路板抗干擾技術等。本裝置在硬件電路設計時采取了多種抗干擾措施，主要體現在：(1) 輸入輸出通道進行光電隔離。(2) 輸入通道經過低通濾波。(3) 電源供電部分可靠接地、濾波和退耦。(4) 合理布置印刷電路板上的器件和配線（包括用于隔絕噪聲的覆銅和使焊盤更牢固的補淚滴）。下面分別加以敘述。1 光電耦合光電耦合器是電子線路中隔離電壓沖擊及噪聲串擾的優選器件，具有體積小、隔離效果好、價格便宜、便于安裝等特點。本采集卡在模擬量的輸入通道采用了光電耦合器6N137，其具體性能及介紹請參考上一章的第

45、3節。光電耦合器的主要優點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲的干擾，從而使過程通道的信噪比大大提高。其原因如下：(1)光電耦合器的阻抗很小，一般為100歐到1000歐之間，而干擾源的內阻卻很大，通常為105108歐，因此干擾源在光電耦合器輸入端的分壓很小。(2)干擾噪聲雖有較大的電壓幅值，但能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸人部分的發光二極管是在電流狀態下工作的，即使干擾有很高的電壓幅值，但由于它不能給發光二極管提供足夠的工作電流從而能夠被抑制掉。(3)光電耦合器是在密封條件下實現輸入回路與輸出回路光耦合的，故不會受到外界光的干擾。(4)光電耦合器輸入回路與輸出回路之間分布電容極小，一般只

46、有0.52pF，而且絕緣電阻很大，通常為10111012歐，因此回路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊。2 低通濾波圖3.1 MAX293芯片引腳由于在工業現場中經常伴隨著各種頻率的噪聲干擾，對于所需采集的模擬量會產生很大的影響。根據所采集模擬量的頻率范圍可以選擇合適的濾波器，通常情況下選擇的是低通濾波器，以消除高次諧波和大部分高頻噪聲信號，減輕在進行諧波分析時出現的頻譜混疊現象。常見的低通濾波器是采用分立元件組成的，在本采集卡中使用由MAXIM公司生產的集成開關電容濾波器MAX293。用它組成的電路具有性能好、電路簡單等優點。MAX293 是一種具有八階橢圓低通濾波特性的單片開關電容濾

47、波集成電路，由于開關電容濾波器中的開關電容組在時鐘頻率的驅動下，可以等效成一個和時鐘頻率有關的等效電阻R=1/fcC。式中C為開關電容組的電容，fc為該濾波的時鐘頻率。當用外部時鐘改變fc時，等效電阻R改變，從而改變了濾波器的時間常數，也就改變了該低通濾波器的通頻帶。它的截止頻率可調范圍為0.125KHz。該濾波器與同樣階數的Butterworth、Bessel、Chebyshev濾波器比較，具有最陡的衰減沿，達到-160dB/oct，趨近于理想低通濾波器。而橢圓濾波器在通帶中的幅頻特性具有均勻紋波，可達到0.12dB，相對幅度變化在1%左右，在信號分析中是可以接受的。3 供電系統干擾的抑制圖

48、3.2 系統供電部分在實際電子系統中通常需要直流穩壓電源向系統供電，考慮到工業現場里比較大的和不可預期的干擾，除了光隔離器外，不同功能部分之間常常采用獨立的直流電源供電。在本模擬量采集卡中，使用VDD、VCC兩路直流電源供電，如圖3.2：理想電源應是一個內阻抗等于零的電源，但是實際電源并非如此，因此通過電源內阻將造成各元件和組件間的耦合，形成干擾源，有時甚至造成低頻振蕩。解決的辦法是在電源輸入端除并聯較大的電解電容外，還要并聯0.01uF0.47uF的高頻電容，在各集成電路芯片的電源和地線間并聯0.01uF0.47uF的去耦電容，從而可以使某個信號頻譜的公共阻抗大大減少，避免了耦合噪聲。在本采

49、集卡撥碼開關的電源處和各個芯片的電源引腳即使用這種方法，參見圖3.3圖3.3 去耦電容在本模擬量采集卡的電源輸入端，采用LC濾波，如下圖3.4所示：圖3.4 電源濾波控制系統中地線的設計很重要，這主要因為：(1)各級電流流過一個公共地時會產生干擾電壓。(2)多點接地形成的環路易使電路受外界電磁場干擾和地電位的影響。良好而準確的接地可以消除或至少可以降低各種形式的干擾，從而能保證電子設備可靠而穩定地工作。根據頻率的高低，可將地線接法分為“多點接地”和“一點接地”。頻率低于1M Hz時采用一點接地。一點接地有并聯一點接地和串聯一點接地之分，采用并聯一點接地較為理想，這種接地方式可使各電路的電流流經

50、導線時所產生的壓降互不影響，不會產生干擾，但這種接地方式實現起來非常麻煩，在較復雜的系統中尤其如此。串聯一點接地引線較少，簡便易行，是工業控制系統中常用的一種接地方式。但這種接地方式中各電路的電流要流經一個公共阻抗，所產生的壓降可對各電路造成不同的干擾。由于不能為各電路提供等地電位，所以在實用中對數字地、模擬地、交流電源地、驅動電源地，都采用浮地形式，相互不共地，數字地與模擬地在適當的位置處短接，這樣可以有效地防止地線干擾，保證控制系統正常工作，同時防止交流電源通過地線對驅動電源產生干擾，保證驅動電源的穩定。4 本章小結本章結合第二章的內容介紹了這塊模擬量采集卡的抗干擾措施，主要介紹干擾產生的

51、原因并以本卡為例說明解決方法。在實際應用中，本卡的幾種主要抗干擾措施（如光電隔離、電源濾波等）均取得了不錯的效果，達到了設計的要求。第四章 系統的軟件設計本章介紹的是在本模擬量采集卡中單片機的程序編寫，調試時采用仿真器將匯編程序寫入單片機中。對于MODBUS協議，本章進行簡要介紹，相關的通信服務程序給出程序框圖。系統軟件主要包括三大部分: 模擬量采集子程序、中斷服務程序、通信服務程序等。這里主要介紹模擬量采集子程序和中斷服務程序。下面分節進行表述。1 Modbus協議簡介Modbus協議是Modicon公司為其生產的PLC設計的一種通信協議，從功能上看，屬于一種設備級的現場總線通信協議，它定義

52、了消息域格式和內容的公共格式，使控制器能認識和使用消息結構，而無需考慮通信網絡的拓撲結構，通信速率可達1Mb/s。它描述了一個控制器訪問其它設備的過程，當采用MODBUS協議通信時，此協議規定每個控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發來的消息，如何響應來自其它設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。Modbus協議是一個僅有物理層和數據鏈路層的現場總線協議，特別適合結構簡單、成本低的應用場合。Modbus協議的物理層采用半雙工的RS-485作為通信接口標準。RS-485標準要求總線采用二線差分電平發送與接收，無公共地線。這種通道能有效克服共模干擾，抑制線路噪聲，傳輸距離可長達1.2km。在半雙工模式下，最高數據傳輸速率可達10MB/s。1、通信過程當主機