莫浩越 韓晉棟

(桂林電子科技大學(xué),廣西桂林 541004)

基于RS-485總線的液冷測(cè)控裝置設(shè)計(jì)

莫浩越 韓晉棟

(桂林電子科技大學(xué),廣西桂林 541004)

結(jié)合485總線和液冷的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出基于RS-485總線的液冷測(cè)控裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)容易,散熱效果好,工作噪音小。為適應(yīng)“減少線束數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN,進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要,RS-485總線應(yīng)用而生,該總線采用平衡發(fā)送與差分接收的方式,具有抑制共模干擾的能力,其收發(fā)器靈敏度高,能檢測(cè)低至200mV的電壓,故傳輸信號(hào)能在千米以外能得到恢復(fù),因此應(yīng)用廣泛。

液冷 RS-485總線 溫度監(jiān)控

1 液冷介紹

散熱，是電子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著電子日趨集成化，風(fēng)冷因噪音大，散熱效果較差等局限已不能滿足需求，液冷散熱因效果好、散熱強(qiáng)度易調(diào)節(jié)、散熱功率可以做到很大，且可將散熱系統(tǒng)與外界完全隔離，避免污染，維護(hù)簡(jiǎn)便而漸漸成為主流。但是液冷造價(jià)較高，安裝復(fù)雜，對(duì)冷卻液有溫度控制、防泄漏、過濾等要求。

2 RS-485總線簡(jiǎn)介

目前電子控制系統(tǒng)大量被采用，它們間通信所用的數(shù)據(jù)類型及可靠性要求不同，由多條總線構(gòu)成、線束數(shù)量較多的情況普遍存在。但RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。

另外RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用該總線可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，負(fù)載能力為32臺(tái)、128臺(tái)和256臺(tái)設(shè)備，但通訊距離越長(zhǎng)、波特率越高、轉(zhuǎn)換器品質(zhì)越差、轉(zhuǎn)換器電能供電不足、防雷保護(hù)越強(qiáng)等因素會(huì)降低真實(shí)負(fù)載數(shù)量。

3 RS-485總線電路設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測(cè)原件

有熱電偶和熱電阻兩種，考慮到工作環(huán)境，測(cè)量范圍和價(jià)格等要素選擇熱電偶為測(cè)量原件。熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng)(即將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來形成一個(gè)閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在回路中形成一個(gè)電流，即熱電效應(yīng)。)其優(yōu)點(diǎn)是。

圖1 MAX485工作電路圖

圖2 線性布線結(jié)構(gòu)圖

圖3 博昊威爾集線器產(chǎn)品布線結(jié)構(gòu)圖

(1)熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，測(cè)量精度高。

(2)測(cè)量范圍廣。從-50～+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。

(3)構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶由兩種不同的金屬絲組成，不受大小和開頭限制，外有保護(hù)套管。

根據(jù)在0到150℃信號(hào)輸出的線性度要求，選擇J型熱電偶為測(cè)量原件。

3.2 運(yùn)放原件

運(yùn)放是能對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大電路。采用集成電路工藝制做的運(yùn)算放大器，具有高增益、精巧、廉價(jià)和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、直流信號(hào)放大、波形的產(chǎn)生和變換，以及信號(hào)處理等方面。

直流放大電路在測(cè)量?jī)x器和自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，首先要把被控制參數(shù)(如溫度、壓力、流量等)用傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再與給定量比較，得到一個(gè)幅度和功率微弱，不足以推動(dòng)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏差信號(hào)，再將其放大到能推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示儀表的程度，從而達(dá)到自動(dòng)控制和測(cè)量的目的。因被放大信號(hào)多為變化緩慢的直流信號(hào)，交流信號(hào)放大器由于有電容器等元件，不能有效地耦合這樣的信號(hào)，所以不能實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣信號(hào)的放大。能夠有效地放大緩慢變化直流信號(hào)的最常用器件是運(yùn)算放大器。

J型熱電偶在0到150℃時(shí)輸出電壓約為0到10mV，需選擇精度和線性度較高的運(yùn)放來放大信號(hào)。

3.3 A/D器件

A/D器件芯片是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)器件品質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)合要求依據(jù)以下指標(biāo)選擇：

(1)轉(zhuǎn)換器位數(shù)；

(2)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率；

(3)采樣/保持器；

(4)轉(zhuǎn)換器量程；

(5)滿刻度誤差；

(6)線性度。

設(shè)計(jì)要求顯示溫度誤差為±1℃，測(cè)量范圍設(shè)計(jì)為0到100℃，芯片輸入電源為5V，需要A/D可以達(dá)到50mV的精度。所以選擇8位A/ D芯片，另外需要轉(zhuǎn)換的通道約8路，所以使用8位8路的A/D。最后采用ADC0809作為A/D芯片。

3.4 RS-485芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用+5V電源工作，額定電流300μA，半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳簡(jiǎn)單，內(nèi)部有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器輸出和驅(qū)動(dòng)器輸入端，與單片機(jī)連接只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因芯片工作在半雙工狀態(tài)，所以只需單片機(jī)的一個(gè)管腳即可控制這兩個(gè)引腳(A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A電平高于B，代表發(fā)送數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A電平低于B，代表發(fā)送數(shù)據(jù)為0)。在與單片機(jī)連接時(shí)只需一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)A和B端之間加約100Ω的匹配電阻。

RS485電路由芯片MAX485完成TTL到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，RS485方向控制線占用GPB2，如圖1。

3.5 RS-485總線結(jié)構(gòu)

485芯片的驅(qū)動(dòng)能力有32臺(tái)、128臺(tái)和256臺(tái)設(shè)備三個(gè)級(jí)別，合理布線可提高總線利用率。主流的布線方式有：線性布線和采用博昊威爾RS232/422/485集線器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的布線。

線性布線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，如圖2，主要應(yīng)用于小型系統(tǒng)，存在以下不足：

(1)RS-485總線因差分信號(hào)傳輸特點(diǎn)的總線長(zhǎng)一般在1200米以內(nèi)，這種布線覆蓋面積有限(僅幾百平方米)。增加傳輸距離需采用中繼器，加大了布線出問題的幾率。

(2)系統(tǒng)裝有大量控制器，線性布線中控制器共享同一RS-485總線。任一控制器RS-485端口短路，都會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，且維修時(shí)工作量大、成本高。

(3)由于RS-485總線布線復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)中主要工程費(fèi)用和時(shí)間在布線環(huán)節(jié)。在大型系統(tǒng)中布線更長(zhǎng)、設(shè)備掛接更多，布線難度加大。

(4)由于地理環(huán)境的原因，設(shè)備間距離導(dǎo)致地電位不平衡。這個(gè)問題，在老式布線結(jié)構(gòu)中很難解決，甚至可能造成系統(tǒng)無法啟動(dòng)。雖然通過處理地電位可暫時(shí)解決部分問題，但問題可能頻繁出現(xiàn)。

博昊威爾RS232/422/485集線器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的布線，結(jié)構(gòu)如圖3，優(yōu)點(diǎn)是：

(1)采用星型結(jié)構(gòu)連接RS-485總線，在有效利用接口的情況下布線覆蓋面積較大(可達(dá)幾平方千米)。

(2)有四個(gè)/八個(gè)下位機(jī)端口，且各端口都有短路保護(hù)功能，并可在關(guān)斷模式下工作。在大型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過分?jǐn)倕^(qū)域控制器到四個(gè)端口的方案可以減少單個(gè)總線的負(fù)荷，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)某一控制器RS-485端口發(fā)生短路時(shí)，只會(huì)影響其所在總線系統(tǒng)，不會(huì)影響其他接口連接的RS-485正常工作。

(3)合理地利用串口集線器可以使RS-485系統(tǒng)布線變得方便快捷，減少布線及維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。

(4)集線器端口間存在3000V的電勢(shì)隔離。對(duì)于環(huán)境帶來的布線問題，只需把問題顯著的區(qū)域用單獨(dú)端口連接集中處理，便可解決地電位帶來的布線問題。

綜上，布線方式采用基于博昊威爾集線器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的布線方式。

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前工業(yè)電子電路板的散熱情況，設(shè)計(jì)使用液冷散熱作為散熱方式，采用485總線作為數(shù)據(jù)傳輸方式，該傳輸方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，能大大提高系統(tǒng)的可靠性。完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

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廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃(桂科能1298019-2)

莫浩越,桂林市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所、國(guó)家橡膠及橡膠制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣西)副所長(zhǎng),主要從事自動(dòng)控制研究、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室管理工作;韓晉棟,桂林電子科技大學(xué)在讀碩士,研究方向:制造業(yè)信息化、機(jī)械電子工程。