摘 要:為解決多通道數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和多路冗余輸出問題，介紹基于RS 485總線的多冗余數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)方法，給出4~20 mA采集模塊、多路冗余輸出處理模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該單元具有通用性、可擴(kuò)展性強(qiáng)，冗余度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:RS 485總線;單片機(jī);數(shù)據(jù)采集;冗余輸出

中圖分類號(hào):TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0097-03

Design and Implementation of Data Acquisition Processing and Multi-redundant Output Unit

JIANG Yuan-xing1，2， SHAO Zhong-hui2

(1. Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology， Hangzhou 311231， China;

2. Zhejiang Xinya Magnetoelectricity Developmemt Co. Ltd.， Zhoushan 316000， China)

Abstract:A method to design the multi-redundant data acquisition and processing unit based on RS 485 bus is introduced to solve the issues of multi-channel data acquisition and multi-redundant output. The realization of 4~20 mA acquisition module and multi-redundant output processing module is described. The unit has the characteristics of generability， scalability and high-redundancy.

Keywords: RS 485 bus; micro controller; data acquisition; redundant output

在現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)越來越廣泛地用于各行各業(yè)[1]?，F(xiàn)代船舶為了實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，自動(dòng)化程度越來越高，需要采集處理各種數(shù)據(jù)。由于船舶本身的特殊性，各設(shè)備運(yùn)行工況非常惡劣，環(huán)境干擾因素多，為了保障船舶安全，對(duì)數(shù)據(jù)采集處理的可高性有很高的要求。本文介紹一種用于船舶監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，該單元由采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道現(xiàn)場各數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，然后由專用的多路冗余處理模塊輸出至本地人機(jī)界面顯示和上位機(jī)進(jìn)行綜合處理，具有很強(qiáng)的實(shí)用性、通用性及可擴(kuò)展性，且冗余度高，穩(wěn)定可靠，已在多個(gè)船舶監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際工程中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為滿足對(duì)現(xiàn)場多種數(shù)據(jù)采集和處理、顯示與上傳，采集單元由開關(guān)量采集模塊、4~20 mA采集模塊、Pt100采集模塊、熱電偶采集模塊構(gòu)成集總式采集系統(tǒng)，再由雙CPU專用處理模塊實(shí)現(xiàn)多路冗余輸出至本地人機(jī)界面顯示和PC機(jī)。單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，I/O接口功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格優(yōu)廉，是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的核心元件之一[2]。采集終端采用基于單片機(jī)ATmega16的各專用采集模塊。RS 485硬件設(shè)計(jì)簡單，控制方便成本低廉，支持遠(yuǎn)距離多機(jī)通信[3]，故采用RS 485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1為系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文主要對(duì)數(shù)據(jù)采集單元硬件部份的實(shí)現(xiàn)做介紹，包括單片機(jī)采集模塊、多路冗余輸出處理模塊。開發(fā)工具為Protel 2004 DXP和Keil μVision 2。

2.1 單片機(jī)采集模塊

為滿足工程需要，開發(fā)設(shè)計(jì)了4~20 mA輸入與輸出模塊、PT100輸入模塊、熱電偶輸入模塊、開關(guān)量輸入與輸出模塊等系列采集終端，各終端采用模塊化設(shè)計(jì)，可以方便靈活地組成不同要求的采集單元。以下以8路4~20 mA輸入模塊為例說明其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 單片機(jī)選擇及ATmegal6單片機(jī)主要特征

該系列采集模塊采用功能強(qiáng)大的ATmega16(TQFP封裝)作為主處理器。ATmega16是RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位AVR微控制器，其主要特點(diǎn)如下[4-5]:16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH 512 B E2PROM，1 KB SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC(TQFP封裝)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，1個(gè)SPI串行端口，以及6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。片內(nèi)ISP FLASH允許程序存儲(chǔ)器通過ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)區(qū)(Application FLASH Memory)。在更新應(yīng)用FLASH存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)FLASH區(qū)(Boot FLASH Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。

2.1.2 電源及電壓基準(zhǔn)源

本模塊外部由直流24 V電源供電，內(nèi)部由3個(gè)鑫飛達(dá)DC/DC隔離電源實(shí)現(xiàn)分開供電，互不干擾，一路經(jīng)DFA5-24S12輸入24 V隔離輸出5 V供通道采樣與A/D轉(zhuǎn)換工作電源;一路經(jīng)DFA5-24S5輸入24 V隔離輸出5 V供CPU工作電源;一路S05HIS05-2W輸入5 V隔離輸出5 V供RS 485通訊工作電源。模塊前向通道的信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都需要一個(gè)高精度的5 V的電壓基準(zhǔn)源，TL431就是基準(zhǔn)源電路的核心器件。其主要特點(diǎn)是:穩(wěn)壓值從2.5～36 V連續(xù)可調(diào);參考電壓源誤差±1%，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值0.22 Ω，輸出電流1.0～100 mA，全溫度范偉內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50 ppm;低輸出電壓噪聲[6]。TL431適用作12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓參考源[7]。本模塊用TL431構(gòu)建的5 V基準(zhǔn)電路。

2.1.3 工作過程

8路4~20 mA信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路(TLC279ID)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(TLC2543)、隔離(6N137)送入ATmega16單片機(jī)，它利用內(nèi)部自帶的ADD轉(zhuǎn)換器采集8路數(shù)據(jù)，將其經(jīng)由RS 485接口電路傳送給上位機(jī)，RS 485通訊模塊采用帶磁隔離的ADM2483。其原理框圖見圖2。

2.1.4 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序，復(fù)位各個(gè)端口。當(dāng)處于監(jiān)聽狀態(tài)時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊處于自動(dòng)巡回監(jiān)測狀態(tài)，系統(tǒng)開始對(duì)各通道按設(shè)定間隔時(shí)間進(jìn)行采集;當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送來的指令便選中相應(yīng)的采集通道執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數(shù)值，再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待上位機(jī)的讀取[8]。單片機(jī)程序采用C語言編寫，系統(tǒng)主程序?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)，在循環(huán)中完成以下工作[9]:系統(tǒng)初始化，包括初始化I/O端口，外部中斷，計(jì)數(shù)器0，USART等;掃描上位機(jī)采集指令;開中斷;響應(yīng)INTO中斷和計(jì)數(shù)器0溢出中斷;讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果;將采集的數(shù)據(jù)調(diào)用通訊子程序由串口通訊模塊輸出;接收上位機(jī)發(fā)出的命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖2 4~20 mA輸入模塊原理框圖

2.2 多路冗余輸出處理模塊

為解決對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多路冗余處理輸出，提高可靠性，特設(shè)計(jì)一雙CPU協(xié)同處理的串口擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)多路冗余處理輸出。數(shù)據(jù)通過RS 485總線輸入至該模塊，經(jīng)隔離進(jìn)雙CPU處理，擴(kuò)展為三路串口輸出，原理框圖見圖3。模塊采用雙ATmega64 芯片作為處理器，雙CPU并口總線通訊，CPU數(shù)據(jù)RAM映射，數(shù)據(jù)交換速度快，實(shí)時(shí)性高。串口通訊RS 485總線，通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通訊協(xié)議。電源采用鑫飛達(dá)的5 W DC/DC隔離模塊DFA5-24S5。

ATmega64是高性能、低功耗的AVR、8位微處理器，先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)，其特性[10]如下:133 條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，32×8 通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器;非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密，可以通過SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程;JTAG接口(與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容 )，遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試，通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì) FLASH、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。

圖3 多路冗余處理輸出模塊原理框圖

2.3 通訊設(shè)計(jì)

RS 232/422/485都是串行數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)。RS 232是非平衡傳輸，RS 422/485是平衡傳輸。RS 232傳送距離最大僅為15 m，最高速率為20 Kb/s，比較適合近距離的本地設(shè)備之間的通信連接;RS 485連接最長可達(dá)1.2 km，可連接至256個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率能高達(dá)10 Mb/s[11]。為實(shí)現(xiàn)底層多采集模塊和上位機(jī)間遠(yuǎn)距離通訊，在底層采用RS 485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因PC機(jī)端的串口是RS 232接口，故需在PC端接專用的RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換模塊將RS 232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS 485的信號(hào)。本采集單元使用通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議——MODBUS RTU通訊協(xié)議。圖4為RS 485通信接口硬件電路。

圖4 RS 485通信接口硬件電路圖

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文所開發(fā)設(shè)計(jì)的4~20 mA輸入與輸出模塊、Pt100輸入模塊、熱電偶輸入模塊、開關(guān)量輸入與輸出模塊系列模塊均已定型生產(chǎn)，并獲得CCS的型式認(rèn)可。4-20MA輸入模塊實(shí)物如圖5所示，技術(shù)參數(shù)如下:

工作電壓: (24±0.48) V;

工作溫度: 0 ～60 ℃;

4～20 mA輸入類型:有源、無源;

量程: 4～20 mA;

轉(zhuǎn)換分辨率: 12 B;

轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 ms;

通訊方式: RS 485;

協(xié)議: MODBUS RTU;

波特率: 9 600 b/s;

外型尺寸(W×D):108 mm×145 mm。

多路冗余處理輸出模塊中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的地址、類型、參數(shù)等通過可從上位機(jī)導(dǎo)入，從而適應(yīng)各種類型采集模塊，具有高的靈活與可擴(kuò)展性?？蓪⒉杉K端的數(shù)據(jù)處理后同步提拱給觸摸屏獨(dú)立顯示與上位PC機(jī)，也可獨(dú)立使用直接驅(qū)動(dòng)本地人機(jī)界面顯示與打印機(jī)。模塊實(shí)物如圖6所示。

圖5 4~20 mA輸入模塊實(shí)物

圖6 多路冗余處理輸出模塊

4 結(jié) 語

本文所介紹的采集單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)多通道現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了多路冗余處理模塊輸出，有很強(qiáng)的實(shí)用性、通用性及可擴(kuò)展性，且冗余度高。該數(shù)據(jù)采集單元在工程上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，經(jīng)在多個(gè)船舶監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際工程中應(yīng)用表明其性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

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