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基于工业以太网的温度采集模块的研究

浏览次数: 日期:2018年3月8日 10:52

  1 引言

  当今社会处于信息时代,由于计算机技术(尤其是网络技术)的发展,信息高速公路等已经把世界紧密的联系在一起,在这种形势下,企业也需要信息化。为了适应企业信息化的发展需要,20世纪80年代中期发展起来的现场总线技术,适应了工业控制系统向网络化、分散化和智能化发展的方向。本文研究的目标是完成基于工业以太网协议的温度采集模块的设计。

  2 温度采集模块的硬件原理设计

  温度采集节点的电路原理图1 所示。

  

 

  图1 温度采集节点的电路原理图

  模拟开关量CD4051分别切换多个热电偶温度传感器,由单片机控制顺序选中通道0到通道7的温度传感器测量电路,经过放大后送入A/D转换器 ICL7135。单片机89C52采集数据后,经校零、滤波、热电偶参比端补偿和线性化处理后转换为对应的温度数字量,存入内部RAM中。上位机需要数据 时,通过串行口发取数据命令,向单片机申请中断,单片机响应中断,把数据送到输出锁存器74HC374,主机从锁存器取走数据。模拟部分电源由板内+5V 电源经变换产生隔离的+5V和-5V电源。

  3 温度采集模块硬件电路详细设计

  3.1 多路开关CD4051选择及扩展

  为了确保每一路的K型热电偶信号能够分时的送入A/D转换芯片中,须在它们之间接入多路转换开关,完成多到一的转换。CD4051是单端8通道多路 开关,它带3个通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端INH。A、B、C得到的信号用来选择8个通道之一被接通。INH=“1”,即INH=VDD 时,所有通道均断开,禁止模拟量输入;当INH=“0”,即INH=VSS时,通道接通,允许模拟量输入。输入信号Vi的范围是VDD~VSS。所以,用 户可以根据自己的输入信号范围和数字控制信号的逻辑电平来选择VDD、VSS、VEE的电压值。

  

 

  图2 CD4051通道扩展原理图

  实际连接中,由于本系统的被测参数多,为此,我们把多路开关进行了扩展,用3个8路多路开关构成24开关,充分满足了要求。其原理接线图2如图所 示。通过译码器控制CD4051的控制端INH,三个CD4051芯片组合起来,构成24个通道。在图中,所要选择的通道编码由CPU通过锁存器的低三位 D2、Dl、D0,经驱动器分别送至各多路开关的A、B、C三个选择输入端。至于哪一个多路开关工作,由D3、D4据总线经译码器译码后加以选择。

  3.2 MC1403基准电压源与CPU单元

  MC 1403是一种高精度、低温漂、采用激光修正的能隙基准源。所谓能隙是指硅半导体材料在热力学温度T=0K时的禁带宽度(能带间隙),其电压值记为UGO,UGO=1.205V。 MC1403采用DIP-8封装,其内部电路很复杂,但应用很简单,只需外接少量元件。

  微处理器是整个温度采集模块的大脑。它不仅要完成对采样数据的数学处理、状态信息的逻辑推理以及与外部设备的信息交换,还要实现对其它各硬件模块的控制。因此,对微处理器的选择既要考虑其运算速度、运算能力以及数据空间的容量,又要考虑其I/O接的口驱动能力以及片内程序空间的容量。基于上述原因,为了达到系统检测和控制目的,完成系统功能,选择了Intel公司的MCS-51系列的单片机AT89C52作为系统的CPU。

  3.3 A/D转换电路

  本系统中选用了双积分户以D转换芯片ICL7135。ICL7135是一种动态分时轮流输出BCD码的双积分户以D转换器,在单极性输入信号的情况 下,ICL7135的转换速率一般在每秒十几次左右。ICL7135内部可分为数字电路、模拟电路两部分,数字部分由计数器、输入/输出接口、控制逻辑等 组成;模拟部分包括电子开关、缓冲放大器、积分放大器、比较器等,其工作过程受数字部分的逻辑控制。ICL7135的测量周期分4个阶段:自动调零阶段、模拟输入(测电压)分阶段、基准电压反积分阶段、积分器回零阶段。其接口电路如图3所示。

  CLK为时钟输入端,从该端加入的外部时钟信号范围为40kHz~1MHz。与单片机的接口电路由ICL7135的时序可知,如果用软件在单片机与 ICL7135的RUN/HOLD相连的P1.0口输出一个正脉冲,则开始启动A/D进行转换,转换完后,其不断输出数据。同时把ICL7135的 STROBE与单片机的中断口INT1相连,实现INT1中断。在A/D转换期间STROBE为高电平,在A/D转换结束后,STROBE输出五个负脉 冲。可以利用STROBE的下降沿请求中断,由于每个STROBE负脉冲出现的时刻正是位驱动信号D5~D1的中间,同时B8、B4、B2、B1是相应位 的BCD码,这样,D5~Dl就不必与单片机相连。在软件编程时,连续响应五次INT1中断即为一次转换结果,五次中断均通过与B8、B4、B2、B1相 连的P1.4~Pl.1口读出BCD码,依次为转换结果的万、千、百、十和个位(见图3)。显然,加上一个极性口,这种接口只占用单片机7根I/O。

  

 

  图3 ICL7135与单片机的接口连接图

  3.4 非线性校验电路

  热电偶的热电势与温度之间呈非线性关系,对测量温度造成很大的误差,必须加以线性化处理。这里采用一种多项式线性化法,设温度为T,各项系数为a0,…aN, 则热电偶的热电势e可表示为:e=a0+a1T+a2T+…+aNT。幂次越高,精度越高。对K型热电偶的热电势而言温度0-600℃的最大非线性误差为1%,因此实际应用中只要取到2次幂就可满足精度要求。输出非线性校 正,在硬件上可使用一级乘法器、一级加法器组成。

  3.5 看门狗电路和串行EEPROM模块

  X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看 门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时,电路中的看门狗将通过RESET信号CPU做出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响,当电源电压降到允许范围以下时,系统将复位,直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的 存储器与CPU可通过串行通信方式接口,共有40%个位。

  

 

  图4 X5045与单片机的接口电路

  当用CS选中器件后,送8位RDSR指令,并由CLK信号触发即可将状态寄存器的内容从50线上读出。而在写状态寄存器时,应先将CS拉低,然后送 WREN指令,再拉高CS,然后再次拉低CS,最后送入WRSR指令及对应于状态寄存器内容的8位数据即可,该操作由CS变高结束。利用X5045可以很方便地与各类CPU芯片进行连接。它与89C52的连接电路如图4所示。

  3.6 Modbus网络通信接口电路

  单片机的通信接口被隔离之后,加上驱动,再与Modbus网络连接。隔离器件采用光电隔离器,系统所选通信驱动芯片,使用了一种RS-485接口芯片SN7517BP,它采用单一电源Vcc,电压在+3-+5.5V范围内都能正常工作。与普通的RS-485芯片相比,它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达 8kV的静电放电冲击,片内集成4个瞬时过压保护管,可承受高达400V的瞬态脉冲电压。因此,它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶 劣的现场,可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计,当输入端开路时,其输出为高电平,这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时,不影响系统的正常工作。另外,它的输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的2倍(≥24kΩ),故可以在总线上连接64个收发器。芯片内部设计了限 斜率驱动,使输出信号边沿不会过陡,使传输线上不会产生过多的高频分量,从而有效扼制电磁干扰。

  4 系统监控软件的设计与实现

  在实验阶段温度采集模块没有相应的以太网接口所以为了方便检验温度采集模块设计是否合理在检验过程中将温度采集模块通过RS-485直接与计算机相 连。同时为了检测所编写的 ModbusTCP的以太网通信程序,选择了监控计算机直接与另外一台计算机互连的方式进行验证。

  1、监控系统设计。通过采用VB6.0的MSComm通信控件实现了Modbus-RTU串行通信控制。使用MSComm通信控件,可以简单高效地 实现设备之间的通信。利用MSComm通信控件可以方便地进行计算机串口的通信管理。Modbus协议中,通信使用主从技术,所以上位机与下位机的通信只 能由上位机发起,当用户执行某个命令后,调用命令处理程序,形成Modbus协议帧格式,通过串行口将数据发送出去,数据发送出去后即启动定时器等待下位 机返回数据,如果在规定的时间内没有数据返回,则向用户报告错误信息。下位机接收到数据首先判断数据帧中的地址是否与本机地址一致,如果一致则接收数据,否则就放弃此帧数据。

  2、客户端/服务器模式的实现。服务器和客户机的通信是通过TCP/IP

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