测控总线构成的多路数据采集与控制系统

测控总线构成的多路数据采集与控制系统测控总线是指以组成测量和控制系统为主要目标而开发的总线。自数字计算机问世以来，各种总线标准不断推出，如PC、ISA、PCI总线。虽然在PC、ISA、PCI总线系统上加入各种I/O功能模块板，也可以组成测控系统，但这不是这些总线标准设计的主要目的。为测控系统设计的总线主要有STD、CPCI、GPIB、VME、VXI和PXI等总线。现代测量及检测系统的发展趋势是标准总线计算机平台、功能强大的软件，以及应用总线技术的模块化仪器设备的有机结合。这种结合极大地增强了自动测试设备的功能与性能。在现代计算机测试系统中，总线技术越来越受到重视。因此，在测试系统研制中，选择好的测试系统平台总线，不仅有助于系统最终以较低成本满足更高的性能要求，而且可以使系统更加容易扩充、升级和保护用户的投资效益。数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程本文设计了一套多路数据采集系统，实施采集多现场的温度参数，系统通过RS485总线将采集到的现场温度数据传输至上位机，上位机对采集到的数据进行显示、存储，从而达到现场监测与控制的目的。1.系统总体方案设计本系统主要完成的功能是：同时检测多个工作现场的温度参数并将采集到的工作现场的温度参数数据传输至主控制室上位机，主控制室内的上位机对采集到的数据进行计算分析，显示不同现场的温度并进行存储参数，并输出相应的控制信号以实现对物理系统的控制或记录。整个系统设计方案如图1所示。2.系统硬件电路设计单片机是整个电路中最核心的元件，本文采用的是高性能CMOS8位微控制器STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。温度传感器选用美国DALLAS公司的一线总线系统的数字温度传感器DS18B20，其采用一线总线(I-WireBus)技术，采用一单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是—55~125℃，测温误差0.5℃。可编程分辨率9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。DS18B20测温传感器具有测量速度快、精度高、高低温报警、智能化等特点，由此构成的单片机控制的单总线温度多路采集系统比传统的测温系统可靠性高，易于构成网络控制，适用于各种温度检测与控制系统，该单总线技术可以为其他过程参数测控系统提供技术支持，具有实用价值和推广价值。图2为DS18B20与STC89C52单片机的连线图，在图中DS18B20芯片中DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。RS485总线是工业应用中非常成熟的技术，是现代通讯技术的工业标准之一，由于采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抗共模干扰的能力。基于RS485总线以上种种优点，所以本文所设计的多路数据采集控制系统选用RS485总线进行现场单片机与主控制室上位机之间的数据传输。图3为RS485现场总线硬件电路设计图。下位机通过RS485接口芯片MAX485与RS485总线相连，计量室PC机经RS232/RS485电平转换后与RS485总线相连。本系统采用RS485总线微机与单片机的主从式串行异步半双工通讯的方法，下位机作为控制系统，分别控制一套现场数据采集系统。PC机的串行接口为RS232接口。鉴于MCS-51系列单片机的串行口是一个标准的TTL电平接口，故在数据传输时需要先进行RS232/RS485电平转换，本系统选用MXA232芯片实现上位机端RS232电平与TTL电平的转化，然后通过MAX485芯片将TTL电平转换为RS485标准电平。在下位机端MAX485将RS485标准电平转换为TTL电平接入处理器的异步串行通信口，实现RS485网络的半双工通信。3.系统软件电路设计多路数据采集控制系统上位机采用VisualStudio2013设计开发。上位机实现采集到的现场温度的显示、保存等操作。在上位机的工作界面主要实现采集到的每个工作现场温度的显示、存储以及报警（根据设置的阀值）。在上位机中，“设置”主要进行每个工作现场温度阀值的设定（本系统设置的温度阀值为18-22摄氏度，若采集的温度超出设定范围则显示温度过高-红灯，若采集到的温度低于设定的阀值则显示温度过低-蓝灯，若温度在设定的范围内则显示正常-绿灯），“开始”按键实现数据采集过程的开始；“保存”按键实现温度数据的存储；“结束”按键结束整个程序。上下位机的通信采用主从方式，上位机与下位机之间进行轮询通信，各下位机之间不能通信。每个下位机都有自己的地址码，上位机向下位机发送1个带有下位机地址的命令，所有下位机判断是否呼叫自己，只有被呼叫的下位机才工作，从而实现了上下位机之间的独立通信。主机发送的信息有两类：一类是地址，一类是数据。单片机程序主要是设置初始化程序状态字、判断是否本机地址、接收主机传输的数据、发送接收完毕状态字给主机，程序设计采用中断方式，初始化时SM2=1。主机发送信息时，每台从机响应并进人中断服务程序，先进行地址比较，经比较后地址不等的从机退出各自的中断服务程序。只有地址相等的从机是被主机寻址的从机，设置SM2=0，此从机接着接收随之而来的数据或命令。采用RS-485标准总线技术对现场数据进行采集、管理，相对于如FF、CAN、LonWorks、Profibus等的现场总线系统而言，具有结构简易、成本低廉、硬软件支持丰富、安装方便，且与传统的DCS兼容，与现场仪表接口简单，系统实施容易等特点，因而RS-485总线系统在一定时间内仍是中小控制系统的主要形式。主控单元与多个智能I/O单元之间通过RS485网络实现互联的系统结构，不仅使系统配置较为灵活，也为实现系统的多任务内核和用户任务组态等软件功能提供了硬件支持。系统硬件设计充分体现了当前主流DCS系统“集中管理，分散控制”的技术特点。