1、第一章 分布式測控系統(tǒng)概述§1.1 分布式測控系統(tǒng) 隨著科技的發(fā)展，機器或設備實現(xiàn)自動化已成為世界的發(fā)展趨勢。人們制造出各種設備，提高生產率。使用者需要知道現(xiàn)場的狀況，就必須采用一定的傳感設備或變送器將現(xiàn)場的各種參數(shù)傳送給使用者，這就是所謂的測量（監(jiān)視）；在了解了機器或設備的相關信息后，還必須針對不同的情況，發(fā)出不同的指令，這就是控制。將現(xiàn)場的結果傳給系統(tǒng)控制者，系統(tǒng)控制者根據一定的控制方法作出相對的控制輸出，這就形成了一個測量（監(jiān)視）控制系統(tǒng)，將分布在不同地方的設備監(jiān)測信息傳到控制中心，由控制中心統(tǒng)一管理，此為遠程監(jiān)控系統(tǒng)，也成為分布式測控系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)一般由一臺PC機管理若干臺

2、以單片機為核心的智能式測量或控制儀表。PC機與測量、控制儀表之間由RS-232（或RS-422，RS-423，RS-485）接口標準相連。智能式測量和控制儀器既能獨立的完成數(shù)據的采集、處理和控制任務，又可將數(shù)據傳輸給上位機（PC機）。PC機則將這些數(shù)據形象的顯示于CRT或由打印機打印成各種報表，并將控制命令傳給各臺儀表，以實現(xiàn)集中管理和最優(yōu)控制。典型的多點總線分布式控系統(tǒng)組成如圖1.1示。PC機(上位機) N號下位機(N<256)2號下位機1號下位機 圖1.1 典型多點總線分布式測控系統(tǒng)組成§1.2 分布式測控系統(tǒng)中通信的實現(xiàn)1.2.1通信接口標準1.2.1.1 RS-232串

3、行總線接口標準RS-232-C 是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industrry Association）于1962年制定并于1969年最后一次修改而成的一種串行總線接口標準。此標準規(guī)定了串行傳輸中，主控模塊與從屬模塊間的物理連接線路的機械、電氣、功能和過程特性，兩端都必須遵守的共同約定。由于RS-232-C接口標準的接收器和發(fā)送器之間有公共的信號地，不可能使用差分信號，只能傳輸單端信號，這樣，共模噪聲就會耦合到系統(tǒng)中。傳輸距離越長，干擾就越嚴重。因此，為了可靠的傳輸信息，不得不增大信號幅度。RS-232-C標準規(guī)定：低電平在-5-15V之間（通常用-12V表示）為邏輯“1”

4、；高電平在+5V+15V（通常用+12V表示）為邏輯“0”。RS-232-C的電氣特性標準規(guī)定如下：·帶3千歐姆7千歐姆時的輸出電平“ 邏輯0：+5V+15V 邏輯 1：-5-15V·不帶負載時驅動器的輸出電平：-2.5+25V·驅動器通短時的輸出阻抗：>300歐姆·接受器最大承受±25V的信號電平·輸出短路電流<0.5A·驅動器轉換速率<30V/us·接受器輸入阻抗3K歐姆7K歐姆·數(shù)據傳輸速率局限在20 Kb/s(波特率2萬)以下·傳輸距離局限在15m以內1.2.1.2 R

5、S-499接口標準 RS-499標準于1977年公布,可以代替RS-232-C物理標準,但又與RS-232不同。規(guī)定RS-232中傳送信號的兩條線中一條是公共地線,另一條是信號線,傳輸?shù)氖切盘柧€上的單端信號。而RS-499標準規(guī)定,甲乙兩設備間傳送信號的兩條線均為信號線,以兩信號間的電位差作為傳送的信號.也就是說傳送的是雙端信號或差分信號。兩信號線或者均不接地,或者僅其中的一條信號線的一端與某設備地相連,另一端懸空,這樣就避免了兩設備地電位不同引起的干擾。1.2.1.3 RS-422-A RS-422-A 接口標準規(guī)定,無論發(fā)送還是接收數(shù)據,均采用兩條線傳送雙端(差分)信號.該標準允許驅動器(

6、發(fā)送器)輸出±2V-±6V,接受器可以檢測到200mV輸入信號電平。1.2.1.4 RS-423-A RS-423-A 標準規(guī)定傳送單端信號,參考電平為地,正信號的邏輯電平為200 mV-600mV。 邏輯1狀態(tài)必須超過4V,但不得高于6V,邏輯 0狀態(tài)必須低于-4V,但不得低于-6V。1.2.1.5 RS-485 RS-485 RS-422的變形，它們之間的差別在于：RS-422是全雙工的，RS-485是半雙工的。RS-422采用雙對的平衡差分信號線（一對用于發(fā)送，一對用于接收），RS-485只需其中的一對。由于同一時間內同一信號線上只允許一個驅動器工作，因此在RS-48

7、5總線系統(tǒng)中的驅動器均能通過使能端進行控制，使系統(tǒng)在同一時刻只有一個發(fā)送者。一共可以允許有32個驅動者和32個接收者。1.2.1.6 20mA 電流環(huán)串行接口20 mA電流環(huán)是目前串行通信中應用很廣泛的一種借口電路，它的最大優(yōu)點是低阻傳輸線對噪聲不敏感，而且易實現(xiàn)光電隔離，在長距離傳輸中比RS232優(yōu)越的多，可用于2000m以內和9600波特率以下的數(shù)據通信。1.2.2 各種通信接口標準比較 目前，有些系統(tǒng)的站間通信仍然采用異步串行通信方式中的RS-232C接口標準和比較老的電流回路等。采用這種信號傳輸方式，隨著信號傳輸距離的增加和速率的提高，傳輸線上的衰減、共地噪聲等干擾的影響會顯著加強，從

8、而引起信號的畸變，由此限制了通信距離和傳輸速率。而在工程上的長距離通信應用中，RS-485接口標準有其獨特優(yōu)勢。該標準采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，而且靈敏度高，能檢測出低至200mV的電壓，所以傳輸信號能在千米以外得以準確恢復；并且以此標準只用一根雙絞線就可以實現(xiàn)多站聯(lián)網，構成分布式系統(tǒng)的設備簡單、價格低廉，故能在工程項目中得到廣泛的應用。基于目前的發(fā)展趨勢，本設計采用了RS-485通信接口標準，而且直接采用了波士電子公司生產的RS-232/RS-485轉換器U485C，將PC 機輸出的RS-232電平直接轉換成RS-485電平在總線上進行傳輸。在單片機端，應用SN75

9、176芯片把RS-485電平轉換成TTL電平送入單片機。這樣的設計既利用了集成芯片的穩(wěn)定性，又利用了RS-485接口標準的平衡發(fā)送和差分接收的特點，使系統(tǒng)具有了共模抗干擾能力，提高了通信的穩(wěn)定性和可靠性。§1.3 多機通信原理概述1.3.1常規(guī)通信原理眾所周知，8031單片機的串行通信4種方式：方式0、方式1、方式2和方式3。它們由串行口控制器SCON設置。其中方式3是波特率可變的9位數(shù)據異步通訊方式，也是目前多機通信中應用最多的方式。在此方式中，8031傳送一禎信息共11位：1位起始位，8位數(shù)據位，1位可編程控制位為“1”或“0”的第九位數(shù)據和1位停止位。其中附加的第九位位數(shù)據可做

10、奇偶校驗位，也可做“地址禎”和“數(shù)據禎”的識別標志位。此位數(shù)據在發(fā)送端由串行控制寄存器SCON的TB8產生，在接收端則自動將它送入SCON的RB8中，在工作方式3，接收端接收完一禎數(shù)據后，當同時滿足下面兩個條件時：（1）RI=0（2）SM2=0或接收到的第九位數(shù)據是1，標志位RI被置位，產生接收中斷。否則，接收的全禎信息全部作廢，并且不置位RI。常用的多機通信原理是利用了以上的特點和兩個條件，把通訊數(shù)據分為數(shù)據禎和地址禎傳送。當?shù)诰盼粸椤?”時為地址禎，為“0”時為數(shù)據禎。PC微機的串行通訊由接口芯片INS8250完成，它并不具備多機通訊功能，也不能產生TB8或RB8，但可以靈活的使用8250

11、，用軟件實現(xiàn)上述功能。8250可以發(fā)送幾種字長，其中一禎最長為11位，與8031單片機發(fā)送的禎格式相比，其差別僅在于第九位數(shù)據，即PC機的8250發(fā)送的第九位是奇偶校驗位，而不是相應的地址/數(shù)據標志位。但是，我們可以通過對8250的線路控制寄存器（LCR）進行編程設置，使它的數(shù)據傳送格式與8031保持一致，使8250的奇偶位形成正確的地址/數(shù)據標志位，從而使PC機與8031單片機實現(xiàn)多機通信。綜上所述，常規(guī)的多機通信方法和步驟，可以概括為：初始化時，各下位機的SM2均設置為1，上位機要與某一下位機進行通信時，先發(fā)送下位機的地址碼，并使數(shù)據禎的第九位為1。于是，所有的下位機都產生接收中斷，此時表

12、明上位機發(fā)來的信息是一禎地址信息。當某一下位機發(fā)現(xiàn)接收的地址信息與本機地址碼相符時，則置SM2為0，并把本機地址回送上位機作為應答信號，準備接收上位機發(fā)來的命令或數(shù)據。地址不一致的下位機則保持SM2為1。接著上位機發(fā)送數(shù)據，第九位為0，而只有SM2為0的下位機（也就是地址相符的下位機）才能接收到命令或數(shù)據，其余的下位機因SM2仍為1，不能進行中斷處理，從而實現(xiàn)了上位機和下位機的一對一通信。1.3.2本設計采用的新的通訊方法常規(guī)的多機通訊方法，奇偶校驗位已作為發(fā)送地址碼或數(shù)據的特征位，而數(shù)據的校核則采用累加和校驗方法。可想而知，采用這種方法不但軟件開銷和通訊的數(shù)量增加了，而且實時性也受到了影響。

13、基于主從式控制結構的小型集散式控制系統(tǒng)的實際應用情況，提出了一種通訊信息不分數(shù)據禎和地址禎的通訊方法，并應用于實際系統(tǒng)中，取得了較好的效果。下面詳述其通訊原理。前面已指出，上位機發(fā)送數(shù)據給下位機，下位機要產生接收中斷必須滿足兩個條件。把符合條件時RI、RB8、SM2之間的組合情況列于表1.3.2。表1.3.2 串口中斷產生時的RI 、RB8 、SM2組合表RIRB8SM2010000011 從表中可見，只要SM2一直置為0，并使RI清0，則不論第9位數(shù)據為何值，下位機均可產生接收中斷，第九位則可作為奇偶校驗位了。如何實現(xiàn)上位機與相應發(fā)送地址相符的下位機之間實現(xiàn)一對一通信呢？可以在軟件中這樣做：

14、在下位機程序中設置一個標志變量FLAG，初始化時FLAG置為1，當上位機發(fā)送數(shù)據時，各下位機均產生接收中斷。中斷服務程序中先判斷本機FLAG的值，若FLAG為1，則把接收的數(shù)據和本機地址比較，如果一致，則置FLAG為0，并回送本機地址作為應答信號。否則，馬上跳出中斷服務程序，F(xiàn)LAG仍為1；如果FLAG為0，則說明發(fā)來的是控制命令（上位機發(fā)送某下位機的地址碼并收到應答信號后，馬上發(fā)送控制命令給下位機），則轉相應的命令處理程序，最后才跳出中斷服務程序，返回主程序。上位機與該下位機通信完畢后，再令該下位機的FLAG為0，如果握手失敗，則上位機發(fā)送復位命令給下位機，然后重新開始握手，三次都不成功則轉

15、出錯處理。由上可見，本方法的實質是上位機把地址碼當作一個命令數(shù)據發(fā)給下位機，亦即不要地址禎，把上位機傳送的信息均作為數(shù)據禎。如此以來，數(shù)據的第九位可以作為奇偶校驗位（采用累加和校驗時，可以不用第九位），免去累加和相比較的方法，可提高通信效率，減少軟件開銷。§1.4 分布式溫度測控系統(tǒng) 溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。特別是在冶金、化工、建材、機械、石油、食品等各類工業(yè)中，廣泛使用加熱爐、熱處理爐、反應爐等。由于爐子的種類不同，因而使用的燃料和加熱方式也不同，例如煤氣、天然氣、油、電等。由于工藝不同，所需要的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同。本系統(tǒng)針對0-100攝

16、氏度的溫度范圍，精度為0.6攝氏度，采用較為簡單的控溫方法對溫度進行控制。被控對象是加熱裝置（高溫燈）。被控參數(shù)是裝置內的溫度。改變繼電器的通短時間便改變了高溫燈的亮滅時間，從而改變了裝置內的溫度高低。集成溫度傳感器LM35直接將溫度轉換成電壓（0-1.0V），在經A/D轉換器ADC0804轉換成數(shù)字信號后，送給單片機AT89C52。單片機根據系統(tǒng)的給定溫度和測量溫度求出偏差，再根據相應的控制算法設置繼電器的輸出狀態(tài)。EEPROM用于存儲加工工藝參數(shù)。鍵盤顯示板，用于輸入和顯示設備參數(shù)和給定量，顯示系統(tǒng)輸出。串行口用于與PC機通信。第二章 分布式溫度測控系統(tǒng)硬件設計§2 .1 系統(tǒng)設

17、計要求本系統(tǒng)由一臺PC機作為上位機，兩臺以AT89C52為核心的測量控制系統(tǒng)作為下位機，構成一個小型的分布式溫度測量控制系統(tǒng)。上下位機之間通過RS-485接口通信。下位機掛在串行總線上，易于擴展，最多可掛32臺下位機。上位機采用友好的人機界面，實時顯示各臺下位機的工作狀態(tài)，把下位機送來的現(xiàn)場參數(shù)以簡明的形式顯示出來，如將溫度參數(shù)以數(shù)碼管或柱狀圖或曲線的形式表述出來。同時，還能產生報警信息。能將采集的現(xiàn)場參數(shù)以報表或文件的形式進行存儲，以被日后查詢和打印。下位機要實現(xiàn)采集現(xiàn)場的各種參數(shù)，并實時發(fā)送給上位機；同時，實時接受上位機發(fā)送來的各種控制命令。下位機把采集來的現(xiàn)場參數(shù)（溫度）作出處理后，通過

18、一定的算法控制執(zhí)行機構，對溫度做出相應的控制。同時，能夠實時顯示現(xiàn)場的各種參數(shù)。能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，提示或顯示故障信息。下位機的執(zhí)行機構可以由下位機自動控制，也可以由上位機控制。通過制定相應的通信協(xié)議，提高通訊的可靠性。§2.2 溫度采集及顯示鍵盤部分2.2.1 LM35系列電壓輸出式集成溫度傳感器LM 35系列是美國國家半導體公司（NSC）生產的電壓輸出型單片集成精密溫度傳感器。此芯片的特點如下：測溫范圍：-55- +150精度高 ：LM35 ±0.4 在-55- +150 內，LM35系列 ±0.4- ±0.8 非線性誤差±0.15-&#

19、177;0.3電壓輸出式：溫度系數(shù) 10mV/,輸出電壓直接校準在上。低功耗，靜態(tài)電流小于60uA低阻抗輸出，通過1mA電流時，輸出阻抗僅為0.1歐姆。適合遠距離測量。封裝形式：TO-46封裝、TO-92封裝、SO-8封裝。us u0 Gnd圖2.1 LM35封裝圖2.2.2 溫度采集及A/D轉換 基于集成溫度傳感器的線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等特點，本系統(tǒng)采用LM35系列集成溫度傳感器。它在精度、反應時間、線性方面均滿足系統(tǒng)要求。又因為系統(tǒng)只有一路模擬輸入，故采用了ADC0804作為A/D轉換器。這是一種一路模擬輸入、8位數(shù)字輸出的A/D轉換器。因為LM35DZ的輸出電壓范

20、圍為0- 1.0V,而ADC0804的輸入電壓范圍默認為05V，所以在本系統(tǒng)中沒有采用常用的量程轉換方法，而是采用了改變A/D轉換器的基準電壓的方法來A/D滿足A/D轉換要求的（詳述見總結部分）。電路組成如圖2.2.2 示。 接P0口 圖2.2.2 溫度采集及A/D轉換電路2.2.3 鍵盤顯示板鍵盤顯示板采用了鍵盤顯示專用芯片HD7279。在鍵盤顯示板上安排有七位數(shù)碼管和六個按鍵。數(shù)碼管可以顯示工藝參數(shù)，如：加工工序、步驟、所用時間、測量溫度和終點溫度等信息，還可以顯示故障信息等其他信息。按鍵有：查閱鍵、上翻鍵、右移鍵、保存鍵、退出鍵、啟動鍵。可以實現(xiàn)的功能有：查閱存儲在EEPROM中的工藝參

21、數(shù)，并可以進行修改和存儲；可以啟動/關閉加熱裝置；手動復位等。電路組成如圖 2.2.3 示。 圖 2.2.3 鍵盤顯示電路§2.3 RS-485 通信接口設計2.3.1 RS-485的應用原則RS-485支持半雙工或全雙工模式。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環(huán)形或星形網絡，最好采用一條總線將各個節(jié)點串接起來。從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。標準沒有規(guī)定總線上允許連接的收發(fā)器數(shù)量，但規(guī)定了最大總線負載為32個單位負載(UL)，可通過增大收發(fā)器輸入電阻來擴展總線節(jié)點數(shù)。例如輸入電阻增加至48k以上(1/4UL)，節(jié)點數(shù)就可

22、增加至128個，SP485R的輸入電阻為150k，節(jié)點數(shù)最多可增加至400個。是否對RS-485總線進行終端匹配取決于數(shù)據傳輸速率、電纜長度及信號轉換速率。UART是在每個數(shù)據位的中點采樣數(shù)據的，只要反射信號在開始采樣時衰減到足夠低，就可以不考慮匹配。當考慮終端匹配時，有多種匹配方案可以選擇，最簡單的就是在總線兩端各接一只阻值等于電纜特性阻抗的電阻，比較省電的匹配方案是RC匹配，采用二極管的匹配方案節(jié)能效果顯著。 經驗表明，當信號的轉換時間上升或下降時間超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的3倍以上時就可以不加匹配。例如具有限斜率特性的RS-485接口器件SP483輸出信號的上升或下降時間最小為2

23、50ns，典型雙絞線上的信號傳輸速率約為0.2m/ns(24AWG PVC電纜)，那么只要數(shù)據速率在250kbps以內，電纜長度不超過16米，采用SP483作為RS-485接口時就可以不加終端匹配。 RS-485總線上的每個收發(fā)器通過一段引出線接入總線。引出線過長時由于信號在引出線中的反射也會影響總線上的信號質量，系統(tǒng)所能允許的引出線長度也和信號的轉換時間、數(shù)據速率有關，經驗公式2.3.1可以用來估算引出線的最大長度。 Lmax=(tRISE·0.2m/ns)/10 (公式2.3.1)以SP483為例，對應于250ns的上升/下降時間，總線允許的最大引出線長度約為5米。 減緩信號的前

24、后沿斜率有利于降低對于總線匹配引出線長度的要求和改善信號質量，同時還可使信號中的高頻成分降低，減少電磁輻射。因此有些接口器件中增加了擺率限制電路來減緩信號前后沿，但這種做法也限制了數(shù)據傳輸速率，由此看來在選擇接口器件時并不是速率越高越好，應該根據系統(tǒng)要求選擇最低速率的器件。僅僅用一對雙絞線將各個接口的A、B端連接起來，而不對RS-485通信鏈路的信號接地，在某些情況下也可以工作，但給系統(tǒng)埋下了隱患。RS-485接口采用差分方式傳輸信號并不需要對于某個參照點來檢測信號系統(tǒng)，只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但應該注意的是收發(fā)器只有在共模電壓不超出一定范圍(-7V至+12V)的條件下才能正常工作。

25、當共模電壓超出此范圍，就會影響通信的可靠直至損壞接口。如圖1所示，當發(fā)送器A向接收器B發(fā)送數(shù)據時，發(fā)送器A的輸出共模電壓為VOS，由于兩個系統(tǒng)具有各自獨立的接地系統(tǒng)存在著地電位差VGPD，那么接收器輸入端的共模電壓就會達到VCM=VOS+VGPD。RS-485標準規(guī)定VOS3V，但VGPD可能會有很大幅度(十幾伏甚至數(shù)十伏)，并可能伴有強干擾信號致使接收器共模輸入VCM超出正常圍，在信號線上產生干擾電流輕則影響正常通信，重則損壞設備。在1101200波特率時，數(shù)據傳輸完全正確，但隨著波特率的提高，傳輸距離呈下降趨勢。所以在傳輸速度允許的情況下，應當盡可能地降低波特率。另外，進一步完善網絡結構將

26、會在保證準確程度的前提下提高數(shù)據的傳輸速率。RS-485總線，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護等特性，但還需要考慮合理的應用和網絡布局、連續(xù)的信號通道、周全的保護措施等，在設計之初就應有總體規(guī)劃。2.3.2 SN75176總線驅動/接收芯片簡介 總線工作方式是計算機傳輸信息的主要方式，在主從式控制系統(tǒng)中，采用多點總線結構也是主機和從機之間的主要互連形式。這種結構不存在信息通路的阻塞問題，且可靠性高，連接簡單，系統(tǒng)易擴展。要求總線上在每一瞬間僅傳輸唯一的信息，最多僅有一個接口的發(fā)送端處于工作狀態(tài)，而其他接口的發(fā)送端均處于禁止狀態(tài)。多機通信協(xié)議也必須嚴格遵循多機分時享用總線的原則。

27、目前已具備多種驅動/接收集成電路和微處理器能適應上述要求。如：MAX481/MAX483/MAX485 SN75176等等。現(xiàn)介紹其中的一種芯片：SN75176。芯片特點：用于多點總線傳輸?shù)碾p向數(shù)據通信，為平衡傳輸線而設計，完全符合RS-422規(guī)范，且將三態(tài)輸出的差分線驅動器和差分輸入線接收器合為一體。其差分輸出和差分輸入內聯(lián)成差分輸入/差分輸出總線I/O口，而且驅動器和接收器均具備有源的外接控制端，以適應其分時享用公共總線和雙向傳輸信息之用。其總線口具有很寬的正/負共模電壓范圍。 驅動器吸收或供給電流可達60mA，具有很強的負載能力，而且具有正負電流限制和熱電路保護，以防止線路故障（在結溫1

28、50攝示度時發(fā)生）。接收器輸入阻抗大于12千歐姆，輸入靈敏度±200mV。75176采用單電源+5V供電。可和4差分驅動器75172/75174，4差分接收器75173/75175聯(lián)合使用。SN75176 RXD VCC /RE -B DE +A TXD GND 圖 2.3.2 SN75276 管腳圖A B：總線輸入輸出口；A，非反相端；B，反相端。R：接收器輸出端/RE：接收器輸出使能端D：發(fā)送器輸入端DE：發(fā)送器器輸入使能端VCC ：+5V電源GND：電源地75176功能表 驅 動 器驅動器輸 入使 能輸 出 DI DE AB H H H L LHLH XL高阻高阻 接 受 器V

29、i 差分輸入 使能輸出 Vi=A-B /RE RVi>= 0.2VLH-0.2V<Vi<0.2VL?Vi<=-0.2VLL XH高阻小結：實踐證明，75176在串行接口通信中，電路簡單，功能齊全，在通信距離/傳輸速度/驅動負載能力方面均較理想，更可貴的是抗干擾能力強，提高了系統(tǒng)通信的可靠性。但是，由于傳輸信號存在著反射/延遲和失真，在實際應用中必須要進行處理，傳輸線的終端應與終端匹配，匹配電阻選120歐姆左右。長線的線電阻會降低信號的幅度和影響信號的上升沿和下降沿，并隨著傳輸線的長度增加而影響加劇，而其特性阻抗隨之減小。故傳輸線的線徑，雙扭的密度均應全面考慮。2.3.3

30、 波士RS-232/RS-485轉換器2.3.3.1 用途RS232/RS485轉換器都可將RS232通信距離延長至1.2Km(9600bps時)，都可以PC機之間，PC機與單片機之間構成遠程多機通信網絡。2.3.3.2 硬件安裝外形都為DB-9/DB-9轉換盒大小，其中DB-9（孔座）一端直接插在9芯RS-232插座上。主要引腳分布：2-RXD（收），3-TXD（發(fā)），5-GND（地）。RS485通信建議一定要接地線，因為RS-485通信要求通信雙方的地電位差小于1V。即：半雙工通信接三根線（+A B 地），全雙工通信要求接五根線（+發(fā) -發(fā) +收 收 地）。為安全起見，建議通信機器的外殼接

31、大地。光隔轉換器（U485C ，U485A）的所有外接電源的“地”必須全部連在一起但不要與計算機的外殼地相連，因為電源“地”同時也是RS-485的信號“地”。當通信距離超過100米建議最好使用光電隔離的通信接口轉換器。2.3.3.3 接線及引腳分布RS-485的+A接對方的+A，-B接對方的-B，GND（地）接對方的GND（地）。RS-422的接線原則：“+發(fā)”接對方的“+收”，“-發(fā)”接對方的“-收”，“+收”接對方的“+發(fā)”，“-收”接對方的“-發(fā)”，GND（地）接對方的GND（地）。一定要將GND（地）線接到對方的GND（地），除非確保通信雙方已經良好共地。2.3.4 RS-485接口電

32、路的硬件設計原則2.3.4.1 總線匹配總線匹配有兩種方法，一種是加匹配電阻。位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應跨接120匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射、吸收噪聲，有效地抑制了噪聲干擾。但匹配電阻要消耗較大電流，不適用于功耗限制嚴格的系統(tǒng)。另外一種比較省電的匹配方案是RC 匹配（圖2 ）利用一只電容C 隔斷直流成分，可以節(jié)省大部分功率，但電容C的取值是個難點，需要在功耗和匹配質量間進行折衷。除上述兩種外還有一種采用二極管的匹配方案（圖3），這種方案雖未實現(xiàn)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，節(jié)能效果顯著。2.3.4.2 RO及DI端配置上拉

33、電阻異步通信數(shù)據以字節(jié)的方式傳送，在每一個字節(jié)傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現(xiàn)握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)RO（接收器輸出）產生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態(tài)，建議RO外接10k上拉電阻。2.3.4.3 保證系統(tǒng)上電時的RS-485芯片處于接收輸入狀態(tài)對于收發(fā)控制端TC建議采用MCU引腳通過反相器進行控制，不宜采用MCU引腳直接進行控制，以防止MCU上電時對總線的干擾，如圖4所示。2.3.4.4 總線隔離RS-485總線為并接式二線制接口，一旦有一只芯片故障就可能將總線“拉死”，因此對其二線口VA、VB與總線之間應加以隔離。通常在VA、VB與總線之間各串接一只410的PTC電阻，同時與

34、地之間各跨接5V的TVS二極管，以消除線路浪涌干擾。如沒有PTC電阻和TVS二極管，可用普通電阻和穩(wěn)壓管代替。2.3.4.5 合理選用芯片例如，對外置設備為防止強電磁（雷電）沖擊，建議選用TI的75LBC184等防雷擊芯片，對節(jié)點數(shù)要求較多的可選用SIPEX的SP485R。2.3.5 硬件電路的設計   利用AT89C52單片機自帶的異步通信口，外接75176芯片轉換成485總線。其中為了實現(xiàn)總線與單片機系統(tǒng)的隔離，在AT89C52單片機的異步通信口與75176之間采用光耦隔離。電路原理圖如圖2.3.5所示.圖 2.3.5 485通信接口原理圖  

35、60;  充分考慮現(xiàn)場的復雜環(huán)境，在電路設計中注意了以下三個問題。2.3.5.1 SN75176 485芯片DE控制端的設計    由于應用系統(tǒng)中，主機與分機相隔較遠，通信線路的總長度往往超過400米，而分機系統(tǒng)上電或復位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個75176的DE端電位為“”，那么它的485總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機出現(xiàn)異常情況下（死機），會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設計時，應保證系統(tǒng)上電復位時75176的DE端電位為“0”。由于單片機在復位期間，I/O

36、口輸出高電平，故圖2.3.5電路的接法有效地解決復位期間分機“咬”總線的問題。2.3.5.2 隔離光耦電路的參數(shù)選取    在應用系統(tǒng)中，由于要對現(xiàn)場情況進行實時監(jiān)控及響應，通信數(shù)據的波特率往往做得較高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現(xiàn)場的導線（現(xiàn)場施工一般使用5類非屏蔽的雙絞線），而是在與單片機系統(tǒng)進行信號隔離的光耦電路上。此處采用TLP521-4。電路設計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以優(yōu)化普通光耦電路參數(shù)的設計，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R22、R23如果選取得較大，將會使光耦的發(fā)光管由截

37、止進入飽和變得較慢；如果選取得過小，退出飽和也會很慢，所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，不同型號的光耦及驅動電路使得這兩個電阻的數(shù)值略有差異，這一點在電路設計中要特別慎重，不能隨意，通常可以由實驗來定。2.3.5.3 485總線輸出電路部分的設計輸出電路的設計要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復雜，現(xiàn)場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設計中采用穩(wěn)壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如SN75LBC184等）。考慮到線路的特殊情況（如某一臺分機的485芯片

38、被擊穿短路），為防止總線中其它分機的通信受到影響，在75176的485信號輸出端串聯(lián)了兩個20的電阻R100、R101。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。    在應用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120左右，所以線路設計時，在RS-485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120的匹配電阻（如圖2.3.5中R105），以減少線路上傳輸信號的反射。 由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為± 200mV，即差分輸入端VAVB +200mV，輸出邏輯1，VAVB  200mV，輸出邏輯0；

39、而A、B端電位差的絕對值小于200mV時，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器輸出邏輯0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位，這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時）呈現(xiàn)唯一的高電平，AT89C52單片機就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R103、R104，即可很好地解決這個問題。§2.4 溫度控制單元電路溫度控制單元應用了固態(tài)繼電器、ULN2003A驅動芯片，組成高溫燈的控制電路。可以保證在系統(tǒng)復位時，固態(tài)繼電器不會有誤動作；而且考慮到單片機的輸出驅動能力，故

40、采用ULN2003集成驅動芯片，提高了單片機的驅動能力，實現(xiàn)了用弱電（TTL電平）控制強電（ AC 220V）。同時，在系統(tǒng)中加入濾波電路防止繼電器的通斷對單片機產生干擾。由于繼電器的吸合速度不能太快，所以在程序設計中一定要注意這一點。電路組成如圖2.4示。 圖2.4 溫度控制單元電路 §2.5 系統(tǒng)板（單片機）部分2.5.1串行EEPROM AT24C02芯片特點：DIP8封裝，兼容I2C總線，256字節(jié)內存，采用CMOS工藝實現(xiàn)了低功耗，8字節(jié)頁寫緩沖方式，10萬次擦寫周期，100年數(shù)據保存。AT24C02芯片管腳介紹：A0VCC A1 WP A2 SCL GNDSDA 圖2.5

41、.1 AT24C02 引腳A0/A1/A2：芯片的地址線，單片使用時一般接VSS（否則接VCC）。WP：寫保護；將該管腳接VCC，EEPROM就實現(xiàn)寫保護（只讀）。將該腳接地或懸空，就可以對器件進行讀寫操作。SCL：串行時鐘腳，串行輸入輸出數(shù)據時，該腳用于輸入時鐘。SDA：串行數(shù)據/地址輸入腳；雙向串行數(shù)據/地址腳，用來輸入輸出數(shù)據。和其他的I2C總線芯片一樣，該腳為OC門輸出，需接上拉電阻。 功能描述：AT24C02支持I2C總線數(shù)據傳送協(xié)議。I2C總線協(xié)議規(guī)定：任何將數(shù)據傳送到總線的作為發(fā)送器，任何從總線接受數(shù)據的器件作為接受器。數(shù)據傳送由主器件控制，總線的串行時鐘/起始條件均由主控制器件

42、產生。24C02作為從器件。主器件和從器件都可以作為發(fā)送者或接受者，但數(shù)據轉送（接收或發(fā)送）模式由主器件控制。I2C總線協(xié)議定義如下：（1） 只有在總線非忙時才被允許進行數(shù)據傳輸。（2） 在數(shù)據傳送時，當時鐘線為高電平時，數(shù)據線必須為固定狀態(tài)，不允許有跳變。時鐘線為高電平時，數(shù)據線的任何電平變化都將被當作總線的啟動或停止條件。起始條件：起始條件必須在所有的操作命令之前發(fā)送。時鐘線保持高電平期間，數(shù)據線電平從高到低的電平變化作為I2C總線的啟動信號。AT24C02一直監(jiān)視SDA和SCL電平信號直到條件滿足時才響應。停止條件：時鐘線保持高電平其間，數(shù)據線電平從低到高的跳變作為I22C總線的停止信號

43、。操作結束時必須發(fā)送停止條件。器件地址的約定：主器件在發(fā)送啟動命令后開始傳送，主器件發(fā)送相應的從器件地址，8位從器件的地址高4位固定為1010。接下來的三位用來定義存儲器的地址。最后一位為讀寫控制位。“1”表示對器件進行讀操作，“0”表示對器件進行寫操作。在主器件發(fā)送啟動命令和發(fā)送一字節(jié)從器件地址后，如果從器件地址吻合，AT24C02發(fā)送一個應答信號（通過SDA線），然后AT24C02再根據讀寫控制位進行讀或寫操作。 SDASCL Start bit Stop bit 圖 2.5.1.2 起始/停止時序應答信號：每次數(shù)據傳送成功后，接受器件發(fā)送一個應答信號。當?shù)诰艂€時鐘信號產生時，產生應答信號

44、的器件將SDA下拉為低，通知已經接收到8位數(shù)據。接收到起始條件和從器件地址后，AT24C02發(fā)送一個應答信號；如果被選擇為寫操作，每接收到一字節(jié)數(shù)據，就發(fā)送一個應答信號。當接收到讀命令后，AT24C02發(fā)送一字節(jié)數(shù)據，然后釋放總線，等待應答信號。一旦接收到應答信號，它將繼續(xù)發(fā)數(shù)據。如果接收到主器件發(fā)送的非應答信號，它結束數(shù)據傳送等待停止條件。寫操作：兩種方式字節(jié)寫：在此模式下，主器件發(fā)送起使命令和從器件地址信息給從器件。在從器件響應應答信號以后，主器件將要寫入的數(shù)據的地址發(fā)送到AT24C02的地址指針，主器件在收到從器件的應答信號以后，再送數(shù)據到相應的數(shù)據存儲地址。AT24C02再響應一個應答

45、信號，主器件產生一個停止信號；然后，AT24C02啟動內部的寫周期。在內部寫周期期間，AT24C02不再響應主器件的任何請求。頁寫：使用頁寫操作時，最多可以一次向AT24C02中寫入16個字節(jié)的數(shù)據。頁寫操作的初始化和字節(jié)寫一樣，區(qū)別在于傳送了一字節(jié)數(shù)據后，主器件發(fā)送15個字節(jié)的數(shù)據，每傳完一個字節(jié)數(shù)據后，AT24C02響應一個應答信號，尋址字節(jié)地位自動加1，而高位不變。 如果主器件發(fā)送的數(shù)據超過16個字節(jié)，地址自動翻轉，先前寫入的數(shù)據被自動覆蓋。接收到16字節(jié)數(shù)據后和主器件發(fā)送的停止信號后，AT24C02啟動內部的寫周期將數(shù)據寫入數(shù)據區(qū)。應答查詢：可以利用內部寫周期時禁止數(shù)據輸入這一特性，一

46、旦主機發(fā)送停止位指示主機操作結束時，AT24C02啟動內部寫周期。應答查詢立即啟動。包括發(fā)送一個起始信號和進行寫操作的從器件地址。如果AT24C02正在進行內部寫操作，不會發(fā)送應答信號。如果AT24C02已經完成了內部自寫周，將發(fā)送一個應答信號，主器件可以對AT24C02繼續(xù)進行讀寫操作。寫保護：寫保護操作特性可使用戶避免因操作不當而造成對存儲區(qū)數(shù)據的改寫。當WP腳接高電平時，整個寄存器區(qū)全被保護起來而只可讀取。AT24C02可以接收從機的地址和字節(jié)地址，但是裝置在收到第一個數(shù)據字節(jié)后不發(fā)送應答信號從而避免積存器區(qū)被編程改寫。讀操作：對AT24C02讀操作的初始化方式和寫操作一樣，僅把R/W位

47、置為1，有三種可能的讀操作方式：立即地址讀；選擇地址讀；立即/選擇地址連續(xù)讀。 現(xiàn)介紹其中一種：選擇地址讀。選擇/隨機讀操作允許主機對寄存器的任一字節(jié)進行讀操作。主機先進行一次空寫操作，發(fā)送起始條件/從機地址/和想讀取的字節(jié)數(shù)據的地址，在AT24C02應答以后，主機重新發(fā)送起始條件和從機地址，此時R/W置為1。AT24C02響應并發(fā)送應答信號，然后輸出要求的8位字節(jié)數(shù)據。主機不發(fā)送應答信號，但是產生一個停止位。2.5.2  系統(tǒng)監(jiān)控集成電路MAX813LMAX813L是美國 MAXIM公司推出的微處理器/單片機系統(tǒng)監(jiān)控集成電路。它具有系統(tǒng)復位、“看門狗”定時輸出、電源電壓檢測、手動復

48、位等多種功能，價格低，可靠性高。8個引腿的雙列直插式封裝，引腳圖如圖2.5.2示。MAX813L /MR /WDO VCC RET VSS WDI PFI /PFO 圖2.5.2 MAX813L功能簡介：1、 復位時序當VCC低于4.65V復位門限時，RESET腳為高電平；當VCC由低于復位門限上升為高于復位門限時，復位輸出時序先保持200ms的高電平，然后下降為并保持低電平。2、“看門狗”定時器 如果在1.6s之內微機不觸發(fā)“看門狗”輸入引腳WDI，且WDI引腳不處于懸浮狀態(tài)，則“看門狗”的輸出引腳/WDO將變?yōu)榈碗娏鳌Ｓ|發(fā)看門狗的方法是在WDI引腳加一個正脈沖。通常把/WDO接到微機的中斷

49、輸入引腳（最好是不可屏蔽中斷）。若微機響應看門狗的定時器中斷后，立即觸發(fā)WDI，則看門狗的/WDO腳回到高電平并從0開始計時。可用這種方法防止程序跑飛，提高微機測控系統(tǒng)的可靠性。3、1.25V門限值檢測器電源故障輸入端PFI的電壓低于1.25V，則電源故障輸出端DFO就變?yōu)榈碗娏鳌？梢园裀FI接電源分壓器，把DFO接微機的中斷輸入腳，就可對電源故障進行警告。4、手動復位 /MR是手動復位引腳。當在/MR引腳上加一個寬度不小于140ms的低電平，而不論是否回到高電平，“看門狗”便復位，在RESET腳上輸出寬度不小于200ms的正脈沖，對微機進行復位。2.5.3 系統(tǒng)板部分系統(tǒng)板部分由AT89C5

50、2 、AT24C02、MAX813L、及其相應的外圍元件組成，是下位機的控制核心。電路組成如圖2.5.3示。圖2.5.3 單片機系統(tǒng)板電路§2.6 系統(tǒng)電源的處理 考慮到通信的光電隔離問題，及溫度傳感器、固態(tài)繼電器所用模擬電壓和單片機系統(tǒng)的數(shù)字電壓分離，所以整個系統(tǒng)配置了四組電源：三組+5V，一組+12V電源。§2.7 硬件結構框圖 本系統(tǒng)由兩臺下位機和一臺PC機組成。每臺下位機系統(tǒng)由以下幾部分組成：溫度采集和A/D轉換電路、繼電器控制部分、系統(tǒng)板部分、鍵盤顯示板、通信接口單元。系統(tǒng)組成框圖見圖2.7示。電路圖詳見附錄一系統(tǒng)電路原理圖。AT89c52RXDTXDA/D溫度傳

51、感器上位機（PC機）鍵盤顯示電路驅動電 路冷卻閥75176轉換器加溫閥告警電路RS48575176轉換器 總線第n號下位機圖 2.7 分布式測控系統(tǒng)硬件結構框圖第三章 各部分電路分析及調試§3.1 單片機與各部分單元電路的接口考慮到單片機系統(tǒng)I/O口資源的有限性，所以本系統(tǒng)中大多采用了串行芯片，如HD7279 、AT24C02等，節(jié)省了I/O口。同時也影響了系統(tǒng)的運行速度，但系統(tǒng)對時間的要求并不是太嚴格，所以總體來說是適合的。現(xiàn)將單片機與各部分單元電路的接口作一說明。單片機系統(tǒng)擴展了數(shù)據存儲器，將工藝參數(shù)存儲到其中，斷電以后數(shù)據不會丟失。應用了兩個I/O口（P1.3 &P1.

52、4），采用I2C總線的形式傳輸數(shù)據。此外，系統(tǒng)采用“看門狗”電路用以提高系統(tǒng)的可靠性。應用了單片機的RST 和P1.6，并可以實現(xiàn)程序復位和手動復位兩種功能。在不超過1.6s的時間內，通過P1.6引腳輸出一個正脈沖，使“看門狗”在程序正常運行期間不復位。一旦程序“跑飛”，在1.6s后，“看門狗”通過RST引腳輸入高電平，使單片機復位。單片機與通信單元電路之間采用了光電隔離，用到了單片機的TXD、RXD和P1.7口（做為發(fā)送/接收 的控制端）。這樣的設計，使單片機與通信總線之間電氣隔離。單片機與鍵盤顯示板之間通過三根線連接（P1.0 P1.1 P1.2）,串行傳輸數(shù)據 ，P1.0 作為HD727

53、9芯片選通端，P1.1作為時鐘信號CLK輸出端，P1.2作為數(shù)據傳輸線。這樣設計，節(jié)省了單片機的I/O資源。加熱、冷卻裝置用P3.3、P3.4兩個I/O口來控制，之間采用了3DG6開關三極管，防止繼電器的通斷影響單片機。具體電路見附錄一。§3.2 溫度采集及A/D轉換電路調試 溫度采集運用了集成溫度傳感器LM35DZ。這種傳感器屬于電壓輸出式，直接把溫度轉換成溫度，溫度與輸出電壓成線性關系，測溫范圍0100。首先，直接加+5V電壓到傳感器的電源端，改變傳感器周圍的溫度，測量其輸出。確定傳感器測溫電路無誤后，直接將輸出接到A/D轉換器的模擬電壓輸入端，先用最小系統(tǒng)板調試。在調試中，發(fā)現(xiàn)

54、顯示的溫度在不停的跳變，很不穩(wěn)定。開始時，懷疑是顯示程序的問題，經過加入適當延時后，顯示的溫度仍然有跳變現(xiàn)象。接著以為是輸入不穩(wěn)定。但是，測量A/D轉換器的模擬電壓輸入，發(fā)現(xiàn)輸入的模擬電壓（溫度）穩(wěn)定。就在程序中加入了數(shù)字濾波程序，但問題仍未解決。經再次查閱A/D轉換器ADC0804的資料得知基準電壓VREF/2太低，發(fā)現(xiàn)了問題所在。原來開始時，為方便溫標轉換，ADC0804轉換器的基準電壓采用了0.524V；由于基準電壓太低，造成轉換時輸出數(shù)據不穩(wěn)定，所以顯示的溫度就不停的跳變，有時從35跳變到99。發(fā)現(xiàn)問題所在之后，就把基準電壓VREF/2提高到1.024V，再調試溫度轉換電路，顯示的溫度

55、與輸入模擬電壓基本成線性，符合設計要求。§3.3 鍵盤、顯示電路調試 在整個系統(tǒng)調試過程中，首先調試的是鍵盤顯示電路，因為整個系統(tǒng)的輸入和輸出只有通過鍵盤顯示電路才能顯示出來，使操作者得知系統(tǒng)的工作狀況。本單元電路通過NHD51開發(fā)系統(tǒng)進行調試：從開發(fā)系統(tǒng)的P1口引三根線接到鍵盤顯示板。通過編寫簡單的鍵盤、顯示子程序調試電路板，發(fā)現(xiàn)工作正常。因為此板與單片機系統(tǒng)之間是串行傳輸數(shù)據，所以在編制程序時，要注意讀寫的時序。§3.4 溫度控制電路調試 在設計之初，就考慮這樣的一個問題：如果單片機復位，怎樣保證繼電器不產生誤動作，即在單片機復位時，繼電器不響應。大家知道，單片機復位時

56、，所有的I/O口都為高電平。只要保證繼電器的控制端為低電平有效，就可以解決上電復位帶來得誤動作。同時又考慮到單片機的帶載能力有限，所以采用了集成驅動芯片ULN2003（反向驅動）。首先調試此驅動芯片，發(fā)現(xiàn)輸入為高電平時輸出為低電平；但是輸入為低電平時，輸出卻只有2.5V左右。更換芯片后，情況仍然如此。在同學的提示下，終于找到了原因：ULN2003是CMOS芯片，輸入/輸出TTL電平，但是輸出為OC門，要接上拉電阻（10K）。對電路進行修改后，電路工作正常。接上繼電器電路后，發(fā)現(xiàn)繼電器不工作。測量3DG6的輸入b極電壓只有0.5V左右，原來是b極的前端限流電阻過大造成的。經過修改后，在驅動芯片的輸入端加一低電平，繼電器吸合，高溫燈點亮；加一高電平，繼電器斷開，高溫燈熄滅。同時為防止繼電器因回流過大而燒壞，最好在繼電器兩端并聯(lián)一反向二極管。§3.5 AT89C52 為核心的主板電路調試這部分電路的調試要點在于：單片機的工作電壓、晶振的工作狀況、“看門狗”電路的復位輸出、AT24C02的