一种实用的分布式数据采集和控制系统

一、引言

    液体的液位测量在工业生产中非常普遍，应用领域也比较广，例如：自来水位的测量和控制，石油管道和储油罐的油位的测量等。高精度的传感器可用于这些测试系统中来感知传递压力、流量、 温度等信号，把这些信号变成电信号，然后经过放大、A/D转换、送入单片机处理后，最后发送到远方的PC机，这样可实现对现场的液位情况进行实时监控，从而向被控单元发出指令，采取相应的动作。整个系统的框图如下：

二、具体的实现过程

    1. 放大部分：TLC4502－双路自校准低噪声高速运算放大器的应用。

    集成运算放大器种类很多，在各类仪表及控制电路中要求运算放大器必须具有高精度，高共模抑制比和低温漂等性能。目前采用的精密运算放大器都具有外接调零电位器输入端，应用时首先对其失调调零。由于电路复杂，给调试带来不便。美国TI仪器公司研制生产的TLC4502精密型双运算放大器，采用自动校准技术，在上电时将输入失调电压自动调整为零，使用起来十分方便，同时也节省了PCB板和外部分离元件，该器件的管脚排列如下图所示：

    TLC4502自动校准运算放大器在片内利用对数字与模拟信号的处理，可在上电时输入失调电压自动校准为零。完成自动校准一般需要300ms的时间，连续校准时可在（±）3μV范围内反复进行。一旦校准完成，大部分校准电路将脱离信号通道并被关断，这样，校准电路对信号通道几乎无影响，这也使得TLC4502在校准周期结束之后可以完全象其他精密运算放大器一样使用。

    TLC4502具有高精度，高增益，良好的电源抑制比，驱动能力强等特点，可广泛应用于数据采集，数字音频，工业控制等领域。在本系统中，用来放大从传感器出来的微弱信号，具体电路如图1：

图1

    2. A/D转换部分：TLC1549－带串行控制的10位模数转换器的应用。

    从放大器出来的电压信号进入到A/D转换器以形成单片机便于处理的数字信号。在该设计中，采用了美国TI公司生产的10位模数转换器TLC1549。它采用CMOS工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到（±）1LSB Max(4.8mv)，占地面积小等特点。

    其工作原理为：在芯片选择（/CS）无效情况下，I/O CLOCK最初被禁止且DATA OUT处于高阻状态。当串行接口把/CS拉至有效时，转换时序开始允许I/O CLOCK工作并使DATA OUT脱离高阻状态。串行接 口然后把I/O CLOCK 序列提供给I/O CLOCK并从DATA OUT接收前次转换结果。I/O CLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在/CS的下降沿，前次转换的MSB出现10个时钟长度 ，那么在10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内/CS端高电平至低电平的跳变可终止改周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防于止/CS被拉至低电平。时序图如图2：

图2

由于它采用串行输出的方式，占地面积小，方便灵活，与单片机的接口也简单，电路如图3： 

TLC1549           AT89C51

图3

    该软件部分为，其中，入口参数：使用累加器A，进位标志CY及工作寄存器R7；出口参数：20H单元存放转换结果的低8位，21H单元存放转换结果的高2位。
     AADCCON：   MOV   20H，#00H  
                 MOV   21H，#00H            ；结果单元清零
                 MOV   R7，#0AH             ；A/D转换位数标志
                 CLR   P1.4                 ；选通TLC1549
       LOOP1：   MOV   C，P1.0              ；读转换结果送至CY
                 MOV   A，20H               ；转换结果移至结果单元
                 RLC   A  
                 MOV   20H，A  
                 MOV   A，21H  
                 RLC   A  
                 MOV  21H,A 
                 SETB   P1.2                ；形成移位脉冲
                 CLR   P1.2  
                 DJNZ   R7，LOOP1           ；转换结束否？
                 SETB   P1.4                ；TLC1549复位并进行一次转换
                 RET                        ；上述程序执行时间约120μｓ

    3. RS485接口芯片部分－75LBC184

    放大的电压信号经过A/D转换由单片机处理后，要传送到远方的PC机，以便达到实时监控的目的。以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，因为其电路结构简单，工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的单片机产品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通过RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服单片机的不足，引入了PC机，采用主从式结构模式，即PC机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机，其结构如下图所示。

    PC机串行口为标准的RS232口，根据标准规定：RS232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20m以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，RS232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是RS485收发器。RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故传输信号在千米以外得到恢复。在这种分布式控制系统中，通信是系统的关键，是系统设计时首要考虑的问题。而如何有效可靠地实现RS232与RS485之间的转换是系统通信实现的前提。

    在该设计中，使用了TI公司生产的一种RS485接口芯片75LBC184,它使用单一电源Vcc，电压在＋3～＋5.5V范围内都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。其引脚如下图所示：该芯片与普通的RS485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内A、 B引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400W（典型值）的过压顺变，故它能显著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RS485标准输入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在总线上连接64个收发器，其工作原理如图4 所示。

图4

    在该设计中，经过单片机处理的信号，经过75LBC184与外围电路形成的RS232/RS485电平转换器电路，然后传到远方的PC机进行实时监控。具体实现的电路如图5：

图5

在该电路中，使用了三片光电耦合器TLP521进行隔离，使得PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性，其工作原理为： 当RS232的RTS端为逻辑电平1（－12V）时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出电平为TTL的逻辑电平1（＋5V），选中RS485接口芯片的DE端，容许RS485接收，这样，RS232的TXD端就可以发送数据（工作逻辑与RTS端相似）。当RS232的RTS端为逻辑电平0（＋12V）时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出端为TTL的逻辑电平0（0V），选中RS485接口芯片的RE端，容许RS485发送。RS485的R端工作时，当其输出为逻辑电平1时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，借助RS232输出停止时其TXD电平为－12V，电容被充电到－12V，使其输出也为－12V，即逻辑电平1；当其输出为逻辑电平0，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，使其输出也为＋5V，也在RS232逻辑电平0的范围之内，即为逻辑电平0。这样，根据PC机和单片机之间的协议，就可实现二者交互式的通信。

    4. 电源部分

    电源的稳定性是整个系统能够正常工作的基础，在本设计中，所有的器件都采用常用的＋5V的电压，为了提高电压的稳定性，采用了TI公司生产的固定正输出、低压差稳压器TL750L05。TL750L05必须有输出电容，没有输出电容，则其输出端的电压为锯齿波形状，锯齿波的上升沿随输入电压变化而变化，加输出电容后，可以抑制上述现象，输出电容的范围在0.1uF~1uF内。电路如图6所示：

图6

三、结 束 语

    由TI公司的模拟产品TLC4502、TLC1549、SN75LBC184、TL750L05和ATMEL公司的单片机AT89C2051构成的分布式数据采集和控制系统，现已用于监测石油管道的压力，流量和温度等参量，性能良好。该系统的特点为：面积小，占地为5cmΧ6.5cm；性能好，系统运行稳定，同时处理几个物理参量，进行实时监控；操作简单方便。

附：该系统的实物图。如下所示：