基于RS总线的数据采集系统.pdf

1、2 0 0 7 矩第1 2 期仪表技术与传感器I m t r m m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r2 0 0 r 7N o 1 2基于R S 一4 8 5 总线的数据采集系统苏晓龙，王香婷(中国矿业大学，江苏徐州2 2 1 0 0 8)摘要：基于R S 一4 8 5 总线的数据采集系统可实现对大坝坝体各方位的应变数据进行采集与数据处理。介绍了系统硬件和软件的设计，重点阐述了硬件电路中信号获取、信号放大、A D 转换、电源、通讯、数据存储以及时钟等模块的设计与实现方法。给出了系统的软件设计框图。关键词：R S 一4 8 5 总线；数据采集；应变；单

2、片计算机中图分类号：T F 2 7 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 1 8 4 1(2 0 0 7)1 2 0 0 5 2 0 3D a t aC o l l e c t i o nS y s t e mB a s e do nR S 4 8 5B U SS UX i a o-l o n g，W A N GX i a n g-f i n g(C h h l aU n i v e r 菌t yo fM 蛐嚷a n dT e c h n o l o g y，X u z h o u2 2 1 0 0 8，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o l l e c

3、t i o na n dd i s p o s a lo fa l lt h ed a m sa z i m u t h ss t r a i nd a t aw a sr e a l i z e d u s i n gt h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e mb a s e dO i lR S 一4 8 5b u s T h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e d T h ed e s i g na n dr e a

4、 l i z a t i o nm e t h o d so f t h es i g n 丑lo b t a i n e r s i g-n a l 8e n l a r g e r，A Dc o n v e r s i o n，p o w e rs u p p l y，c o m m u n i c a t i o na n dd a t a-s t o r a g em o d u l ew e r ee x p a t i a t e d K e yw o r d s：R S 一4 8 5b u s；d a t ac o l l e c t i o n；s t r a i n；S C

5、M1 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。网络主节点E 订图1 系统概念设计图图2 系统整体框架图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收稿日期：2 0 0 7 0 2 1 2 收修改稿日期：2 0 0 7 0 7 2 6方位的压力值。选用N Z S 一2 5 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

6、3 所示。啊也图3 传感器结构图图3 中，月1、恐为敏感电阻，其基准电阻值为4 0Q，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，R，的电阻值会随着受到压力的不同而发生变化，R 2 阻值保持不变，这样尺1 和如上的压降不同，通过2 次测量分别得到月1、R 2 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“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A D 6 2 0 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

7、高，精度也非常好，且外部接口简单。A D 6 2 0 放大器向A D 转换器提供的模拟输入电压为一2，2V，满足A D 转换器的要求。1 2 3A D 转换模块A D 转换模块选用I C L 7 1 3 5 芯片，其典型配置如图4 所示。I C L 7 1 3 5 的时钟由下位单片机的A L E 端提供，因为下位机在P o、P 2 口没有扩展外围程序存储器和数据存储器，因此A 工E端提供的时钟频率为系统时钟频率的1 1 2；此外，由于前级放大部分采用A D 6 2 0，它是双电源供电，所以I C L 7 1 3 5 也是双电源供电，且他们的电源要求相同。I C L 7 1 3 5 和下位单片机

8、的连接采用串行连接，如图5 所示。2 一一4 一书一烈肫一黼_|一肌掣嚣筹：徽 万方数据第1 2 期苏晓龙等：基于R S 一4 8 5 总线的数据采集系统5 3豳4I C L 7 1 3 5 典溅外围器件配置圈I C L 7 1 3 58 9 C 5 l圈5I C L 7 1 3 5 和单片机的串行连接图1。2，4 电嚣模块由于系统下位机位于大坝现场，电源无法从现场取得，必须出上位枧提供，因此电源勰决方案如嬲6 所示。图6 系统供毫框露在主节点部分，通过总电源处理模块，将交流2 2 0V 转换为直流1 2v，上位橇酶毫源壶自身酶5V 稳压模块掇供，通避葱逛源线将1 2V 赢流输送到下位机，下位

9、机及其外围器件所需的电源都囊下位执的电源模块提供，个别器佟魇霉的特殊电鼹，由专用模块获得。1，2 5 通信模块R S 一4 8 5 总线采震双绞线差分传输方式，霹连接成半双工和全双工方式，最远传输距离为1 2k m 系统数据通信采用半双王逶信方式，霹整个阏络孛l 萋一对刻必能麦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 个残2 个以上节点阉时良总线发送数据，将导致所有发送方发送数据失败，因此通信网一般采取主放式，即主节点控制整个网络的通信时序，使总线上的备节点分时使蔫憨线，麓决总线数摄传输懿冲突。总线驱动芯片选用R S 一4 8 5 接口芯片S N

10、 7 5 L B C l 8 4，它采用单一电源，电援力3 5。5v 对都戆正常工作。与普通的骼一4 8 5 芯片相比，它不但能抗雷电的冲击，而且能承受高达8k v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4 0 0V 的瞬态脉冲电舔，因诧它能显著提高防正臀电损坏器俘的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接，而不错要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路驸，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路敌障时，不影响系统的正常工作。另外它的输入阻抗为R S 一4 8 5 标准输入阻抗的2 倍(2 4 蚍)，故可以在总线上连接6 4 拿狡发器。蕊跨

11、凌都设诗了限斜率驱囊，使输窭信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而凌效扼制电磁于扰。总线驱动芯片秘单片槐的连接采是闻接连接，如图7 所示。R X DR s TP 1 7渤豳7 慧线驱动慈羚和荸菏褫满酌溺接连接霞1 2 6 数据存储模块该摸块莠l 寒存储下位巍传过寒鳇压力数据。系统慰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，能保存较故时闯，易鼍：扩展容量。基予以上要求，选用了遵循I I c总线串荦彳扩展技术的2 4 C 2 5 6。单片枕和2 4 1 2 2 5 6 之间的数据交换完全遵照C 总线的规定，即单片机作为主机，2 4(2 2 5 6 作为从撬，所鸯操作

12、都是懑S D A 纛S C L2 个辫位戆获态共窖4 令获态：开始、停止、数据和应答)来确定。2 4 C 2 5 6 和单片机的连接霭懿图8 艇示。2 唾S C L2 4 S n A鬻S2 4(2 5 6 秘摹篾壤连接嚣1 2 7 时钟模块采照实聪时钟芯片D S l 2 C 8 8 7 为系统产坐时闽基准，它和单片机的连接如图9 所示。可当作荦片杌的外部R A M 处理，通过P 0 口对D S l 2 C 8 8 7 进行操作，通过其中断弓I 脚沁向单片机发出孛断，使单片褫读出时阚。M a Tv c cA D Ol 购稻瓣D S。删矗D 7A SG N D蕊C=瓣9D S l 2 C S 9

13、7j 藤攀凳辊连攘鬻(下转第7 8 页)万方数据7 8I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o rD e c 2 0 0 r 7整个区域进行监控)。4 4 通信协议及软件的实现C C l 0 0 0 工作在发射状态时，发射频率为4 3 3 3M H z，频偏为6 4k I-l z，速率为76 3 8k b i t s，发射功率为1 0d B m 发射数据采用自定义帧格式，读卡器发送给通信接口的数据格式为：4 字节同步字0 A A H，0 A A H，0 A A H，0 A A I-I；2 字节地址(读卡器的I D 号)；1 字节的发送

14、数据长度；1 4 字节采集的数据；n 7字节本读卡器有效识别范围内的不同标签的信息(号2 字节、到达本区域的时间3 字节及2 字节的信号强度)，2 字节的C R C 校验，1 字节帧尾。1 帧信息最大字节数为5 9(n 5)，如果有多于5 个标签进入本区域，其余信息在下一帧发送。如果只有I 帧信息或本帧为最后一帧，帧尾为O x f f，否则为0 x 0 0 A t m e g a l 6 L 单片机首先完成对中断、定时器、串行E l 及C C l 0 0 0 的初始化，然后启动定时器和A D 转换器工作，对环境参数(瓦斯、C O、温度、湿度、信号强度等)进行循环检测。定时时间到使C C l 0

15、 0 0 发射同步信号，然后使C C l 0 0 0 处于接收状态，随时准备接收到达本区域的移动标签收到同步信号后发来的I D 号；所有的I D 号读取完毕向上位机请求并按协议传送采集的数据和本区域移动人员及设备的I D 号。D S l 3 0 2 用于产生实时时钟，记录人员的到达时间，定时器。用于产生发送同步信号的周期。读卡器主程序和定时器、A D 转换器中断服务程序流程图如图4 所示。5 结束语该系统综合运用了多种通信方式，结合了无线数传、单片机控制、射频识别、数据采集、终端应用等多项技术。具有成本低、布设方便等优势，有非常大的社会意义和市场前景。参考文献：1 沈建华，扬艳琴，翟骁曙M S

16、 P 4 3 0 系列1 6 位超低功耗单片机原理与应用北京：清华大学出版社，2 0 0 5：8 6 1 1 2，2 3 1 2 3 8，3 2 8 3 3 3 2 T I 杭州利尔达科技有限公司M S P 4 3 0 F 2 X X 用户手册(中文版)，2 0 0 6 C C l 0 0 0 初始化I串口、定时器、A D 转换器初始化，启动定时器、A D 转换器工作读取标签的号、到达时间和接收的信号强度并按号存储通过串口向上位机请求发送数据按协议将数据打包发送定时器0 重赋初值i使C C l 0 0 0 处于发射状态l发送同步信号l使C C l 0 0 0 处于接收状态(b)定时器0 中断服务程序流程图读取A D 转换结果安通道号存一睹转换结果启动下一路转换(c)A D 转换中断服务程序流程图(a)主程序流程图图4 程序流程图 3 包起帆，张文渊，徐盛，等有源R F I D 的性能及其应用前景微型电脑应用，2 0 0 6(4)：1 3 4 金春林A V R 系列单片机c 语言编程与应用实例北京：清华大学出版社，2 0 0 3：1 5 5 1 6 0，1 8 4 1 8 8，2 9 0