【摘 要】本文介紹了基于8位PIC單片機(jī)開發(fā)、具備24路開關(guān)量輸入的信號(hào)監(jiān)測模塊的基本設(shè)計(jì)思路和開發(fā)過程。其中包括模塊的硬件設(shè)計(jì)方案、程序流程，以及外置通訊接口和協(xié)議等內(nèi)容。對信號(hào)監(jiān)測模塊的基本功能和使用方法進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。此外，文章還結(jié)合了模塊在產(chǎn)品檢測領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用給出了具體的案例分析。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)監(jiān)測模塊；開關(guān)量輸入；PIC單片機(jī)；燈具檢測

0.引言

各類信號(hào)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集類模塊廣泛應(yīng)用于工業(yè)、安全及產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域，與工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等控制類產(chǎn)品集成，形成具有特定功能、對不同類型輸入信號(hào)進(jìn)行采樣分析的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集類模塊產(chǎn)品的種類眾多，根據(jù)其采樣信號(hào)的類型可分為開關(guān)量和模擬量采集模塊；根據(jù)采樣通道數(shù)可分為單路和多路采集模塊；根據(jù)信號(hào)輸入輸出類型可分為輸入、輸出和輸入/輸出模塊。本文所述的信號(hào)監(jiān)測模塊為基于PIC16F1512系列單片機(jī)開發(fā)的輸入信號(hào)監(jiān)測模塊。該模塊具有24個(gè)開關(guān)量信號(hào)輸入通道，能夠?qū)⒏魍ǖ赖男盘?hào)狀態(tài)通過其通訊接口以數(shù)字信號(hào)輸出。并且根據(jù)模塊的實(shí)際應(yīng)用需要，還對其加入了信號(hào)輸入持續(xù)時(shí)間累加計(jì)算的功能，能夠應(yīng)用于應(yīng)急燈具應(yīng)急時(shí)間、蓄電池放電時(shí)間等連續(xù)信號(hào)的計(jì)時(shí)測量。由于模塊采用了標(biāo)準(zhǔn)的傳輸通訊協(xié)議，因此其具有較強(qiáng)的兼容性和可移植性。

1.硬件設(shè)計(jì)

1.1主控芯片的選擇

PIC單片機(jī)是由Microchip公司開發(fā)的系列單片機(jī)產(chǎn)品，因?yàn)槠渚哂泄δ芡晟啤⒐牡?、抗干擾能力強(qiáng)、編程指令高效等特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)領(lǐng)域，能夠適用于較為惡劣的使用環(huán)境。信號(hào)監(jiān)測模塊采用的主控芯片為PIC16F1512系列8位單片機(jī)。該系列單片機(jī)為新一代的高性能RISC單片機(jī)，具備優(yōu)化的C編譯器架構(gòu)，數(shù)據(jù)指令僅為49條，因此單片機(jī)程序簡潔、開發(fā)過程更加高效。此外，單片機(jī)的28個(gè)引腳中有25個(gè)為I/O口，正是由于其豐富的片上資源，使得該信號(hào)監(jiān)測模塊能夠具備24個(gè)信號(hào)采樣通道，能夠同時(shí)完成對24路開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和處理。

1.2電路設(shè)計(jì)

信號(hào)監(jiān)測模塊的內(nèi)部電路由上下兩塊電路板組成，分別為上層板和下層板。其中下層板為主控板，主要由單片機(jī)及其外圍電路、信號(hào)輸入接口、通訊接口和電源處理單元等部分組成，主要用于對輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，根據(jù)特定指令完成對數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算，然后通過通訊接口將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)或其他控制終端。模塊的信號(hào)輸入接口由分別置于電路板上下邊沿的兩組6*2的RJ11插座構(gòu)成，輸入通道為24路。RJ11插座為6P4C型，除了能夠接收DC4.2～5.2V的開關(guān)量輸入信號(hào)外，還能夠?yàn)橥庠O(shè)器件提供DC5V的供電。模塊的通訊接口采用RS-485串行總線接口，在電路板上由1組2*1的RJ45插座構(gòu)成，通過普通網(wǎng)線互連即可實(shí)現(xiàn)對多個(gè)模塊的組網(wǎng)。模塊的電源部分采用AC220V轉(zhuǎn)DC5V1A的開關(guān)電源，配合電路內(nèi)部的電源管理芯片，保證了對單片機(jī)的穩(wěn)定供電，提高了電路的抗干擾能力。

模塊的上層電路板為顯示板，主要器件為表面貼裝的LED、用于驅(qū)動(dòng)LED的邏輯芯片和功能按鍵。模塊通過LED能夠?qū)崟r(shí)顯示24路開關(guān)量信號(hào)的輸入狀態(tài)，并且具備電源和通訊的狀態(tài)指示功能。上下兩塊電路板之間由4組插座連接，既用于連接和固定，同時(shí)也起到對上層板供電和通訊的功能。電路板除信號(hào)輸入接口和通訊接口部分外，全部采用SMT貼片工藝，保證元件焊接質(zhì)量的同時(shí)也加強(qiáng)了電路板的抗干擾能力。

2.軟件開發(fā)

MPLABX IDE是Microchip公司針對PIC系列單片機(jī)開發(fā)的最新的集成開發(fā)環(huán)境，綜合了編輯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)等功能。信號(hào)監(jiān)測模塊的單片機(jī)程序使用C語言編程，程序指令簡潔，開發(fā)過程高效、實(shí)用。信號(hào)監(jiān)測模塊主要具備信號(hào)采集和顯示、數(shù)據(jù)處理計(jì)算以及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，其中信?hào)采集和狀態(tài)顯示為模塊的基本功能，而當(dāng)模塊接收到特殊指令后，則會(huì)根據(jù)其采樣信號(hào)的狀態(tài)完成數(shù)據(jù)處理計(jì)算和傳輸?shù)墓δ堋．?dāng)正常上電后，模塊首先確定其通訊地址編碼，然后將實(shí)時(shí)掃描24路信號(hào)輸入端口的狀態(tài)。如有信號(hào)輸入，模塊將其對應(yīng)的LED點(diǎn)亮，指示其輸入狀態(tài)，并且從通訊端口向上位機(jī)發(fā)送各通道的信號(hào)輸入狀態(tài)信息。當(dāng)用戶操作模塊的功能按鍵或模塊收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)處理指令后，模塊將進(jìn)入數(shù)據(jù)處理功能狀態(tài)。此時(shí)，模塊除繼續(xù)采樣并顯示各通道狀態(tài)外，還會(huì)累加計(jì)算輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，并通過通訊端口將信號(hào)輸入狀態(tài)、輸入的持續(xù)時(shí)間等數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送給上位機(jī)。當(dāng)任一通道輸入信號(hào)終止后，模塊將停止對應(yīng)的計(jì)時(shí)；當(dāng)全部輸入信號(hào)終止后，模塊將完成此次信號(hào)處理任務(wù)，回到普通的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送任務(wù)完成的回饋，等待接收新的數(shù)據(jù)處理指令。

3.應(yīng)用案例

應(yīng)急燈具放電時(shí)間測試系統(tǒng)為信號(hào)監(jiān)測模塊的典型應(yīng)用之一。每只信號(hào)監(jiān)測模塊具有獨(dú)立的通訊地址編碼，模塊與控制主機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議，系統(tǒng)最大容量能夠保證100只監(jiān)測模塊同時(shí)在線，即能夠同時(shí)對2400臺(tái)應(yīng)急燈具的放電時(shí)間進(jìn)行測量。其中，應(yīng)急燈具的工作狀態(tài)通過光學(xué)傳感器轉(zhuǎn)換為DC5V的開關(guān)量信號(hào)傳至模塊的輸入端。當(dāng)燈具點(diǎn)亮?xí)r輸入信號(hào)為真，燈具熄滅時(shí)輸入信號(hào)終止。燈具進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)后，用戶通過操作模塊的按鍵或控制上位機(jī)向其發(fā)送數(shù)據(jù)處理指令，模塊開始對燈具的放電時(shí)間累加計(jì)時(shí)，并實(shí)時(shí)向上位機(jī)上傳燈具的狀態(tài)和放電時(shí)間等數(shù)據(jù)。當(dāng)模塊所監(jiān)控的全部燈具熄滅、輸入信號(hào)終止后，模塊向控制主機(jī)發(fā)送信息，完成燈具放電時(shí)間的檢測工作。

4.結(jié)束語

本文介紹的開關(guān)量信號(hào)監(jiān)測模塊以常用的PIC單片機(jī)作為主控芯片，性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，具有采樣通道豐富、可獨(dú)立編址、功能完善等特點(diǎn)。除了具備常規(guī)輸入模塊的信號(hào)采樣、傳輸?shù)裙δ芡?，特有的信?hào)處理和累加計(jì)時(shí)模式使其能滿足特定應(yīng)用場合的需要。配合相應(yīng)的前端傳感器，信號(hào)監(jiān)測模塊能夠進(jìn)行燈具應(yīng)急時(shí)間檢測、蓄電池放電時(shí)間測量等需要對輸入信號(hào)進(jìn)行連續(xù)測量的檢測應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]彭樹生等編著.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.