數(shù)據(jù)中央采集系統(tǒng)的仿真分析與研制的效果發(fā)展論文
中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）32-0023-03
當(dāng)今電子科學(xué)技術(shù)得到了快速發(fā)展，各種智能化控制系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到了十分重要的作用。環(huán)境參數(shù)控制是大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)的首要任務(wù)，如今數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了大量模擬量數(shù)據(jù)傳感器、采集器。但此類設(shè)備采集點(diǎn)單一，每次采集需先停止現(xiàn)場設(shè)備后方可進(jìn)入現(xiàn)場，取出采集器內(nèi)部記錄卡或是通過人工讀取采集器上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，不但影響生產(chǎn)效率、增加了勞動強(qiáng)度，同時(shí)頻繁地進(jìn)出采集容易造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)環(huán)境的破壞，影響產(chǎn)品質(zhì)量與精度。
1 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用終端變送器將采集的關(guān)鍵參數(shù)（例如溫度、濕度、壓力、pH值等）轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號或0～5V電壓信號，可實(shí)現(xiàn)200m長距離信號傳輸，該類型傳感器具有精度比較高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)單片機(jī)采用深圳宏晶科技的STC90C52RC，具有低功耗、高速和抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，管腳也和AT89C51兼容，而且在此基礎(chǔ)上增加了許多便于操作的功能。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)完成各路采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)換，將接收的模擬量信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的二進(jìn)制數(shù)字信號。通過RS485、RS232總線和相關(guān)的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)與智能傳感器、上位PC機(jī)的通信。關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集控制器定時(shí)與智能傳感器通信以獲得實(shí)時(shí)溫度、濕度、pH值等關(guān)鍵參數(shù)信號，并進(jìn)行數(shù)字化處理。上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行定時(shí)或隨時(shí)通信可以得到各個(gè)傳感器的最新采樣值，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理，以備查詢分析及備份打印。
2 上位機(jī)通訊軟件設(shè)計(jì)
人機(jī)交互系統(tǒng)采用主要基于單片機(jī)串口通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。核心芯片采用宏晶系列芯片STC90C52RC，將采集并存儲的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Sbuf中，利用MSComm控件將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)采集至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信。以標(biāo)準(zhǔn)9針串口作為雙方物理接口，簡潔、高效地完成全雙工通訊功能，如圖2所示為上位機(jī)與控制系統(tǒng)的通訊原理圖。根據(jù)實(shí)際情況，以標(biāo)準(zhǔn)232串口協(xié)議為基根，RS232接口主要占用系統(tǒng)中的RXD、TXD、GND三個(gè)數(shù)據(jù)端口資源，TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送端，其中RXD為數(shù)據(jù)接收端，GND為信號接地端。目前標(biāo)準(zhǔn)RS232串口的有效數(shù)據(jù)傳輸距離很短，在波特率較低設(shè)置的`情況下，勉強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)25M通訊，不能夠適應(yīng)多點(diǎn)和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，因此，為了滿足生產(chǎn)使用需求，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)距離長達(dá)數(shù)百米的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232轉(zhuǎn)RS485通訊轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行232與485通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1000m。為了提高抗干擾能力及通訊穩(wěn)定性，目前上位機(jī)串口通訊采用標(biāo)準(zhǔn)EIA電平，而單片機(jī)串口輸入輸出為TTL電平。因此，采用MAX232芯片有效解決了雙方的電平匹配問題。
在工業(yè)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測及反饋控制系統(tǒng)中，上位機(jī)與MCU之間的數(shù)據(jù)交互大多以串行通信為主要手段，它具有方便、高效并且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的特點(diǎn)。目前，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)通訊的主要手段主要有三種方式：一是利用VC的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)，調(diào)用函數(shù)命令操作串口；二是利用Windows內(nèi)部API函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)串口通訊；三是使用Microsoft VB6.0 Mscomm通訊控件，VB是最為簡潔、直觀地面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎС諥ccess和dBASE等多種數(shù)據(jù)庫鏈接模式，模塊豐富，極大地節(jié)省了編程時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。通過Mscomm控件可以創(chuàng)建全雙工、時(shí)間驅(qū)動的、高效實(shí)用的通訊程序。經(jīng)常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，串行通信是主要的通信手段，它高效、方便并遵循統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)。因此為了配合下位機(jī)的通訊工作，本系統(tǒng)采用第三種方法實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通訊，數(shù)據(jù)管理方面，利用VB6.0中的addoc控件，完成VB系統(tǒng)與Access 2003數(shù)據(jù)庫管理軟件的鏈接，將實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)定時(shí)保存至數(shù)據(jù)中，以備后續(xù)的查詢和編輯等操作。系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)交互界面如圖3所示，將實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，具備參數(shù)上下限設(shè)定及超差報(bào)警、按時(shí)間順序查詢歷史數(shù)據(jù)等重要功能。
3 基于proteus硬件仿真實(shí)現(xiàn)
proteus作為EDA高效仿真工具，得到世界廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，從硬件設(shè)計(jì)、程序調(diào)試到MCU與外圍電路協(xié)同仿真，連同PCB的繪制，實(shí)現(xiàn)了電路板加工之前的電路仿真。是目前最為優(yōu)秀的電路仿真軟件，同時(shí)具備PCB布線和虛擬模型仿真等優(yōu)秀功能，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。系統(tǒng)選用Proteus 7.0 professional版本進(jìn)行仿真調(diào)試，選用AT89C51代替STC系列完成單片機(jī)程序調(diào)試，選用74LS74作為分頻電路將單片機(jī)產(chǎn)生的信號分頻后作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號。本系統(tǒng)通過proteus完成硬件電路的繪制與仿真分析，應(yīng)用VSPD虛擬串口實(shí)現(xiàn)proteus與VB的上位機(jī)與下位機(jī)的通信測試，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，極大程度地降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
4 系統(tǒng)PCB電磁兼容性設(shè)計(jì)
PCB（印制電路板）是電子系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)是多種電子元器件及電子線路的綜合與集成，系統(tǒng)中含微弱模擬信號以及高精度A/D變換電路，強(qiáng)電與弱電相結(jié)合，具有工作電壓低、速度快、高密度等特點(diǎn)。系統(tǒng)各種元器件在高度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在一定干擾，各個(gè)電流回路之間通過公共阻抗相互耦合，高、低頻干擾信號通過整流電路串?dāng)_到電路中，影響彼此正常工作及安全可靠性。因此，提高電路板抗干擾能力，解決其電磁兼容問題是電子系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，針對上述問題，可采取以下有益措施：
第一，強(qiáng)電信號和弱電信號電氣隔離，數(shù)字地與模擬地分開，由于數(shù)據(jù)采集端為24V直流信號輸入，電壓比較高，而控制系統(tǒng)統(tǒng)一采用5V供電，因此雙方應(yīng)采用單獨(dú)鋪地的策略，獨(dú)自構(gòu)成回路，降低對電源其他功能單元的干擾。
第二，重要信號或易受干擾信號采用光耦隔離，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，電源與地之間都要加一個(gè)去耦電容，一方面提供和吸收集成電路開關(guān)瞬間的充放電能，另一方面可以去掉該期間的高頻噪聲，盡量避免相互耦合產(chǎn)生干擾，同時(shí)應(yīng)考慮對PCB進(jìn)行合理分層及布局。
第三，各元器件在長期工作情況下產(chǎn)生一定熱量，為了避免熱源彼此間相互影響。大功率發(fā)熱元器件應(yīng)靠近易于散熱的位置，必要時(shí)加裝散熱片或?qū)峁埽m當(dāng)加大發(fā)熱元件之間的距離，并且遠(yuǎn)離熱敏元件。
第四，PCB設(shè)計(jì)時(shí)，盡量加粗電源線和地線寬度，減少環(huán)路電阻，數(shù)字地和模擬地分開。因?yàn)楦哳l電流是由接地噪聲電壓和數(shù)設(shè)備布線區(qū)域的壓降產(chǎn)生的，所以在高速數(shù)字電路中優(yōu)先使用多點(diǎn)接地。它的主要目的是建立一個(gè)統(tǒng)一電位共模參考系統(tǒng)。
5 結(jié)語
基于單片機(jī)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性好，抗干擾性能好，能夠滿足溫室環(huán)境的設(shè)計(jì)要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。另外本系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用到其他環(huán)境的關(guān)鍵數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)或類似的參數(shù)檢測系統(tǒng)中，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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