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基于RS-485总线的数据采集系统

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1 硬件设计

1.1 系统整体框图

系统实质上是一个集散控制系统，更准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 信号获取模块

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量。它与一般压力传感器的结构不同，是通过测量比值而得到压力值，其基本结构如图3所示。

图3中，R1、R2为敏感电阻，其基准电阻值为40Ω，在其没有受压时，2个电阻的阻值都不会发生变化，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发生变化阻值保持不变，这样R1和R2上的压降不同，通过2次测量分别得到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

系统采用的压力传感器输出的电压信号为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，以达到转换器的要求。选用专用仪表放大器AD620芯片。此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。AD620放大器向A/D转换器提供的模拟输入电压为-2～2V，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用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用串行连接，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

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220V转换为直流12V，上位机的电源由自身的5V稳压模块提供，通过总电源线将12V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，个别器件所需的特殊电压，由专用模块获得。

1.2.5 通信模块

总线采用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112km。系统数据通信采用半双工通信方式，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，如果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控制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，它采用单一电源，电压为3～515V时都能正常工作。与普通的芯片相比，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个瞬时过压保护管，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RS - 485标准输入阻抗的2倍（≥24kΩ），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分量，从而有效扼制电磁干扰。总线驱动芯片和单片机的连接采用间接连接，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，掉电数据不容易丢失，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

采用实时时钟芯片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、模拟多路开关控制程序模块、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控制模块。每个二级程序模块又由更小的函数组成，这样的设计方法容易修改和测试。