資料中央採集系統的模擬分析與研製的效果發展論文
資料中央採集系統的模擬分析與研製的效果發展論文
中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）32-0023-03
當今電子科學技術得到了快速發展，各種智慧化控制系統、工業資料採集系統等在工業生產過程中起到了十分重要的作用。環境引數控制是大多數生產型企業的首要任務，如今資料採集技術發展迅速，出現了大量模擬量資料感測器、採集器。但此類裝置採集點單一，每次採集需先停止現場裝置後方可進入現場，取出採集器內部記錄卡或是透過人工讀取採集器上面的資料進行記錄，不但影響生產效率、增加了勞動強度，同時頻繁地進出採集容易造成關鍵資料環境的破壞，影響產品質量與精度。
1 系統原理
系統結構如圖1所示，利用終端變送器將採集的關鍵引數（例如溫度、溼度、壓力、pH值等）轉換為4～20mA的電流訊號或0～5V電壓訊號，可實現200m長距離訊號傳輸，該型別感測器具有精度比較高、穩定性好、抗干擾能力強等優點。系統微控制器採用深圳宏晶科技的STC90C52RC，具有低功耗、高速和抗干擾強的優點，指令程式碼完全相容傳統的8051微控制器，管腳也和AT89C51相容，而且在此基礎上增加了許多便於操作的功能。微控制器主要負責完成各路採集點資料的收集和轉換，將接收的模擬量訊號轉換為系統可識別的二進位制數字訊號。透過RS485、RS232匯流排和相關的協議來實現與智慧感測器、上位PC機的通訊。關鍵資料採集控制器定時與智慧感測器通訊以獲得實時溫度、溼度、pH值等關鍵引數訊號，並進行數字化處理。上位機與資料採集控制器進行定時或隨時通訊可以得到各個感測器的最新取樣值，並對資料進行儲存和處理，以備查詢分析及備份列印。
2 上位機通訊軟體設計
人機互動系統採用主要基於微控制器串列埠通訊技術，實現主機與控制系統的資料互動。核心晶片採用宏晶系列晶片STC90C52RC，將採集並存儲的資料實時地放入資料緩衝區Sbuf中，利用MSComm控制元件將資料緩衝區中的資料採集至計算機系統以完成上位機與下位機的通訊。以標準9針串列埠作為雙方物理介面，簡潔、高效地完成全雙工通訊功能，如圖2所示為上位機與控制系統的通訊原理圖。根據實際情況，以標準232串列埠協議為基根，RS232介面主要佔用系統中的RXD、TXD、GND三個資料埠資源，TXD為資料傳送端，其中RXD為資料接收端，GND為訊號接地端。目前標準RS232串列埠的有效資料傳輸距離很短，在波特率較低設定的`情況下，勉強可實現25M通訊，不能夠適應多點和遠端的資料的採集與監控，因此，為了滿足生產使用需求，本系統要實現距離長達數百米的遠距離資料傳輸，採用標準的RS232轉RS485通訊轉換器，進行232與485通訊協議轉換，最遠傳輸距離可達1000m。為了提高抗干擾能力及通訊穩定性，目前上位機串列埠通訊採用標準EIA電平，而微控制器串列埠輸入輸出為TTL電平。因此，採用MAX232晶片有效解決了雙方的電平匹配問題。
在工業關鍵引數監測及反饋控制系統中，上位機與MCU之間的資料互動大多以序列通訊為主要手段，它具有方便、高效並且標準統一的特點。目前，實現控制系統與上位機通訊的主要手段主要有三種方式：一是利用VC的標準通訊函式，呼叫函式命令操作串列埠；二是利用Windows內部API函式，可實現串列埠通訊；三是使用Microsoft VB6.0 Mscomm通訊控制元件，VB是最為簡潔、直觀地面向物件的程式設計方法，支援Access和dBASE等多種資料庫連結模式，模組豐富，極大地節省了程式設計時間，提高了設計效率。透過Mscomm控制元件可以建立全雙工、時間驅動的、高效實用的通訊程式。經常需要進行資料交換，序列通訊是主要的通訊手段，它高效、方便並遵循統一的國家標準。因此為了配合下位機的通訊工作，本系統採用第三種方法實現PC機與微控制器的通訊，資料管理方面，利用VB6.0中的addoc控制元件，完成VB系統與Access 2003資料庫管理軟體的連結，將實時採集的關鍵資料定時儲存至資料中，以備後續的查詢和編輯等操作。系統的上位機人機互動介面如圖3所示，將實時顯示當前資料，具備引數上下限設定及超差報警、按時間順序查詢歷史資料等重要功能。
3 基於proteus硬體模擬實現
proteus作為EDA高效模擬工具，得到世界廣泛認可與應用，從硬體設計、程式除錯到MCU與外圍電路協同模擬，連同PCB的繪製，實現了電路板加工之前的電路模擬。是目前最為優秀的電路模擬軟體，同時具備PCB佈線和虛擬模型模擬等優秀功能，其處理器模型支援8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，它也支援IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。系統選用Proteus 7.0 professional版本進行模擬除錯，選用AT89C51代替STC系列完成微控制器程式除錯，選用74LS74作為分頻電路將微控制器產生的訊號分頻後作為系統的時鐘訊號。本系統透過proteus完成硬體電路的繪製與模擬分析，應用VSPD虛擬串列埠實現proteus與VB的上位機與下位機的通訊測試，並驗證了設計的可行性，極大程度地降低了設計風險。
4 系統PCB電磁相容性設計
PCB（印製電路板）是電子系統的關鍵環節，本系統是多種電子元器件及電子線路的綜合與整合，系統中含微弱模擬訊號以及高精度A/D變換電路，強電與弱電相結合，具有工作電壓低、速度快、高密度等特點。系統各種元器件在高度運轉時存在一定干擾，各個電流回路之間透過公共阻抗相互耦合，高、低頻干擾訊號透過整流電路串擾到電路中，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，解決其電磁相容問題是電子系統能否正常工作的關鍵，針對上述問題，可採取以下有益措施：
第一，強電訊號和弱電訊號電氣隔離，數字地與模擬地分開，由於資料採集端為24V直流訊號輸入，電壓比較高，而控制系統統一採用5V供電，因此雙方應採用單獨鋪地的策略，獨自構成迴路，降低對電源其他功能單元的干擾。
第二，重要訊號或易受干擾訊號採用光耦隔離，在設計電路板時，電源與地之間都要加一個去耦電容，一方面提供和吸收積體電路開關瞬間的充放電能，另一方面可以去掉該期間的高頻噪聲，儘量避免相互耦合產生干擾，同時應考慮對PCB進行合理分層及佈局。
第三，各元器件在長期工作情況下產生一定熱量，為了避免熱源彼此間相互影響。大功率發熱元器件應靠近易於散熱的位置，必要時加裝散熱片或導熱管，適當加大發熱元件之間的距離，並且遠離熱敏元件。
第四，PCB設計時，儘量加粗電源線和地線寬度，減少環路電阻，數字地和模擬地分開。因為高頻電流是由接地噪聲電壓和數裝置佈線區域的壓降產生的，所以在高速數位電路中優先使用多點接地。它的主要目的是建立一個統一電位共模參考系統。
5 結語
基於微控制器的關鍵資料採集系統是一種比較智慧、經濟的方案，安裝簡單方便，系統穩定可靠，可維護性好，抗干擾性能好，能夠滿足溫室環境的設計要求，具有很強的實用性。另外本系統還可推廣應用到其他環境的關鍵資料檢測系統或類似的引數檢測系統中，具有很好的推廣應用價值。
參考文獻
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