基于單片機通信網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

在生產(chǎn)酸酐的小型控制現(xiàn)場中，需要對各反應(yīng)釜的溫度和壓力進(jìn)行實時的監(jiān)測，并使它們保持在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。由于需要控制的設(shè)備較多、相互距離又較遠(yuǎn)，且現(xiàn)場有較強的工業(yè)干擾，因此采用體積小、抗干擾能力強的單片機作為上位機與現(xiàn)場控制器來組成分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，上位機與現(xiàn)場控制器之間采用通信網(wǎng)絡(luò)連接，各測控單元獨立工作，完成參數(shù)的測量與控制；而在主控室內(nèi)，由主機對各現(xiàn)場測控器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，向各分機發(fā)送控制命令以及對整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的顯示、儲存等。在本系統(tǒng)中采用主從式RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。

1單片機通信網(wǎng)絡(luò)

RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳播信號，在發(fā)送端驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，在接受端接收器將差分信號還原成TTL信號，這樣具有很強的抗共模干擾的能力，同時接收靈敏度也很高；在傳輸數(shù)據(jù)速度達(dá)100 kb/s時通信距離可達(dá)1200 m；允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)載設(shè)備，設(shè)備簡單、成本低和維護(hù)方便。因此，工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中一般都采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在該通信系統(tǒng)中，在主機的控制下，通過軟件協(xié)議，主從機間可互相通信。并且在一個多機通信系統(tǒng)中，只有一臺單機作為主機，各臺從機間不能相互通信，即使有信息交換也必須通過主機轉(zhuǎn)發(fā)。各單片機間通過RS-485總線通信，主機通過點名方式給各從機發(fā)送命令，實現(xiàn)對系統(tǒng)的主控權(quán)。主機在執(zhí)行任務(wù)的同時要對從機不斷地輪詢，從而監(jiān)視從機的狀況、接收從機的請求或給從機發(fā)送命令。

通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各測控器中選用的RS-485通信收發(fā)器芯片為MAX481，使用單片機的一個I/O口（P1.7）控制通信收發(fā)器MAX481的工作狀態(tài)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，各通信子系統(tǒng)使用了光電隔離器件6N137。
　

為了保證正常傳輸信號干凈、無毛刺，在總線末端接一個120 Ω的匹配電阻吸收總線上的反射信號。電纜使用雙芯屏蔽電纜，屏蔽端連接設(shè)備機殼。為了避免干擾，每個設(shè)備都應(yīng)接地。

2主控制器設(shè)計

主控制器通過串行通信接口實現(xiàn)對各現(xiàn)場控制器的直接控制，主要用于實現(xiàn)人-機對話功能。由于該系統(tǒng)實時性要求不是很高，為了減少線路板的面積和減少占用單片機的口線，選用體積小、管腳少、可以串行輸入/輸出的芯片。

主機選用8051單片機。因為主機要完成數(shù)據(jù)儲存，并要求具有掉電保護(hù)的功能，所以8051需要擴展外存。串行EEPROM以其體積小、功耗低、價格低廉、高可靠性、連線簡單等顯著優(yōu)勢，逐漸被用于多功能的對速度要求不太高的智能儀器儀表中。在本系統(tǒng)中，選用24系列的串行EEPROM 24C64。因P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，故作I/O口使用時外加10 kΩ的上拉電阻。

鍵盤采用中斷掃描工作方式。當(dāng)有鍵按下時INT0為低電平，向CPU發(fā)中斷申請，進(jìn)入鍵盤中斷服務(wù)程序進(jìn)行按鍵識別及相應(yīng)功能程序的執(zhí)行。采用串行口靜態(tài)驅(qū)動方式，使用74LS164串行輸入、并行輸出8位移位寄存器作為段選碼驅(qū)動器，每個數(shù)碼管使用一片74LS164，把4片串聯(lián)起來，便構(gòu)成一個4位的 LED顯示器。

各串行件都用軟件編程實現(xiàn)時鐘及數(shù)據(jù)的傳遞。

主控制器的硬件電路如圖2所示。

3現(xiàn)場控制器設(shè)計

每臺現(xiàn)場控制器是各自獨立的系統(tǒng)，接收（溫度或壓力）傳感器輸出的模擬信號，和工藝要求的參數(shù)相比較，從而得出該路信號修正量的大小。輸出的模擬信號作為電磁閥的輸入信號來控制流量（氣體或水蒸氣）的大小，從而達(dá)到對溫度或壓力的控制。圖3是它的硬件電路。

單片機選用20腳的AT89C2051。AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種高性能單片機，價格低廉、與Intel公司生產(chǎn)的MCS 51單片機高度兼容。AT89C2051將多功能8位CPU和2 kB閃爍存儲器集成在1塊芯片上，對輸出口進(jìn)行了簡化，形成了一種僅有20個引腳的單片機，在功能上相當(dāng)于Intel公司的8031最小應(yīng)用系統(tǒng)。

おおおおおおおおおおおお
具有串行輸入輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片由于接線簡單，傳輸距離遠(yuǎn)，在工業(yè)測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。ADC0832是帶有串行輸入輸出8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)輸出過程都是在外部時鐘脈沖的控制下進(jìn)行的，故模數(shù)轉(zhuǎn)換速度比較低，但可以滿足本系統(tǒng)的要求。在該系統(tǒng)中將DI固定接高電平，這樣由DI端輸入的控制字為“111”，這樣AD0832的CH1為單端輸入工作方式，CH0不工作。

同樣，對于D/A轉(zhuǎn)換也使用具有串行輸入輸出的轉(zhuǎn)換芯片。TCL5615為美國德州儀器公司的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的2倍。帶有上電復(fù)位功能，上電時把DAC寄存器復(fù)位至全零。ADC0832和TCL5615的時鐘和數(shù)據(jù)的傳遞用軟件編程來實現(xiàn)。

4通信軟件設(shè)計

系統(tǒng)通信軟件有主控制器（主機）通信軟件和現(xiàn)場控制器（從機）通信軟件組成。由于現(xiàn)場控制器還要完成信號的監(jiān)測和控制，所以為了提高工作效率，在主從機發(fā)送和接收過程中，都采用中斷控制方式。

4.1主機通信軟件設(shè)計

主機的通信功能主要包括呼叫各從機，并向各從機發(fā)送控制命令。當(dāng)主機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成發(fā)送數(shù)據(jù)前的初始化、參數(shù)預(yù)置以及和從機接通聯(lián)系的工作，真正的發(fā)送數(shù)據(jù)安排在中斷服務(wù)程序中。主程序在調(diào)用完后，繼續(xù)干自己的工作，以后只需檢查設(shè)定的標(biāo)志位的狀態(tài)就可知道數(shù)據(jù)是否發(fā)完。

4.2從機通信軟件設(shè)計

從機平時對監(jiān)控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和控制，當(dāng)有串行中斷時，執(zhí)行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本分機的地址信息，若是本機的地址，轉(zhuǎn)為接收控制命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作：若不是本機地址，則退出中斷。

通信軟件的流程圖如圖4所示。

5結(jié)語

分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由各個從機完成參數(shù)測量及控制任務(wù)，不但能代替模擬儀表完成常規(guī)的過程控制，并且能進(jìn)行復(fù)雜算式運算和順序控制，在現(xiàn)場對輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少了信息傳輸量，降低了對上級計算機的要求；主機通過數(shù)據(jù)通道，直接與過程相聯(lián)結(jié)，完成生產(chǎn)計劃、管理、決策的最優(yōu)化，從而實現(xiàn)了整個生產(chǎn)過程的最優(yōu)化自動控制。對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善和擴展，可以應(yīng)用于多種集散式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多臺分布較遠(yuǎn)設(shè)備的低成本、高可靠。

參考文獻(xiàn)
1李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2李朝青.PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001
3曹保根.主從式RS485應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試.電子技術(shù)，2000(2)
4張專成.串行A/D與8031單片機的接口技術(shù).電子技術(shù)應(yīng)用，1998（8）