引言
在孵化設(shè)備的科研過(guò)程中,常常用多路溫度測(cè)試儀來(lái)對(duì)孵化機(jī)器內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,而我們以前用的多路溫度測(cè)試儀是用兩片16選1的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)完成對(duì)32路溫度的測(cè)量, 溫度的采樣時(shí)間受模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間的限制,開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)溫度采樣也造成了一定的干擾。在實(shí)際使用過(guò)程中還常受到溫度采樣路數(shù)(如8路、20路、64路、 70路,128路等)的限制,為能更靈活的應(yīng)用該多路溫度測(cè)試儀,我們采用了主從機(jī)RS-485通訊的模式來(lái)完成多路溫度的測(cè)量。每個(gè)從機(jī)采樣8路溫度并作為一個(gè)模塊,每個(gè)從機(jī)有獨(dú)立的地址,這樣我們就可以在主機(jī)通訊負(fù)載能力范圍內(nèi)靈活的配置從機(jī)模塊的數(shù)量,并且能提高溫度采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性,為科研實(shí)驗(yàn)提供便利工具。
硬件設(shè)計(jì)
總線式主從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
主機(jī)我們采用Atmel公司的高性能8位處理器ATMEG128L-8AI,該芯片具有128k的ISP-FLASH、4k的EEPROM、4k的 SRAM,該芯片容量大、可重復(fù)在系統(tǒng)編程、指令豐富并且執(zhí)行速度快。
主機(jī)主要完成以下功能:從機(jī)地址識(shí)別、與從機(jī)的通訊、實(shí)時(shí)溫度顯示、按鍵處理、溫度軟校準(zhǔn)以及從機(jī)擴(kuò)張選擇,主機(jī)功能框圖如圖2。實(shí)時(shí)溫度顯示采用19264單色點(diǎn)陣液晶,該液晶沒(méi)有背光時(shí)仍能正常查看,只是為了在夜間查看,我們?cè)黾恿艘壕П彻夤δ?。溫度軟校?zhǔn)功能是為了保證多路溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,消除系統(tǒng)誤差。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,很難保證用來(lái)測(cè)量的不同的溫度探頭的一致性,電路結(jié)構(gòu)、探頭線長(zhǎng)度、以及每個(gè)溫度傳感元件本身的不一致性都最終影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了方便校準(zhǔn),我們可利用軟件對(duì)單個(gè)溫度探頭或全部溫度探頭進(jìn)行軟件校準(zhǔn)。這樣盡量減小各個(gè)溫度探頭的不一致而帶來(lái)的測(cè)量差值。為保證主機(jī)的可靠工作,在電路中還增加了處理器監(jiān)控芯片MAX706,用來(lái)監(jiān)控電源電壓和系統(tǒng)是否正常工作,否則發(fā)出復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)恢復(fù)正常。從機(jī)擴(kuò)展功能主要是用來(lái)選擇從機(jī)模塊的數(shù)量,如果從機(jī)數(shù)量為1,則在該功能選項(xiàng)中選擇“1路采樣模塊”,依次類推,考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)溫度探頭數(shù)量的要求,本系統(tǒng)中最大的從機(jī)模塊配置數(shù)量為8,也就是最多可以測(cè)量64路溫度信號(hào)。
主機(jī)的按鍵是行列線組成的2輸入4輸出結(jié)構(gòu)形式,采用定時(shí)掃描,利用MCU內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生10ms定時(shí)中斷,CPU響應(yīng)中斷時(shí)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描,并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能程序。
從機(jī)采用Atmel公司的ATMEG16L-8AI作為處理器,該芯片具有16k的ISP-FLASH、512B的EEPROM、1k的SRAM,該芯片同樣可以在系統(tǒng)編程,該芯片具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)采樣的基準(zhǔn)電壓為5V時(shí),系統(tǒng)的采樣精度可達(dá)到5毫伏每字,即基準(zhǔn)電壓變化5毫伏,采樣的數(shù)字量變化1個(gè)字。
從機(jī)模塊主要完成8路溫度采樣、與主機(jī)的通訊、硬件地址編碼,從機(jī)功能框圖如圖3。每個(gè)從機(jī)模塊有個(gè)地址編碼跳線器,由硬件完成對(duì)該模塊的地址編碼。這樣在擴(kuò)張時(shí),將每個(gè)模塊的地址唯一確定,不會(huì)由于通訊地址的重復(fù)造成通訊的不成功。我們采用的RS-485芯片最多可以負(fù)載32個(gè)從機(jī)模塊,RS-485芯片采用Maxim公司的MAX483CPA。不同的RS-485芯片,其負(fù)載能力不同,有的RS-485芯片如MAX487可以帶120個(gè)負(fù)載,MAX1487能夠?qū)⒇?fù)載數(shù)量擴(kuò)大到230個(gè)。
RS-485串行通訊
在工程實(shí)踐當(dāng)中,多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎每偩€方式,傳送數(shù)據(jù)采用主從機(jī)結(jié)構(gòu)的方法。
RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信:在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出,經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力,接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí),最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10kb/s速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)12m,而用100kb/s時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率,傳輸距離還可進(jìn)一步提高。本系統(tǒng)的波特率設(shè)置為2400b/s。
圖1就是用RS-485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信。主機(jī)采用8位微處理器ATMEG128L,從機(jī)采用ATMEG16L。每個(gè)從機(jī)通過(guò)地址編碼擁有自己固定的地址,由主機(jī)控制完成網(wǎng)上的每一次通信。圖4是MAX485和微處理器的接口電路,A、B為RS-485總線接口,D是發(fā)送端,R為接收端,分別與單片機(jī)串行口的TXD、RXD連接,由于采用半雙工通訊,所以還有收發(fā)控制端,MAX485的RE、DE為收發(fā)使能端,由微處理器的 PE4(主機(jī))、PC5(從機(jī))口作為收發(fā)控制。該控制口高電平時(shí),MAX485處于發(fā)送狀態(tài),將微處理器TXD處的數(shù)據(jù)經(jīng)A、B差分送出到RS-485的總線上;當(dāng)該控制口為低電平時(shí),MAX485處于接受狀態(tài),將RS-485總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平的信號(hào)由R端輸出到微處理器的RXD端。當(dāng)總線上沒(méi)有信號(hào)傳輸時(shí),總線處于懸浮狀態(tài),容易受干擾信號(hào)的影響。應(yīng)將總線上差分信號(hào)的正端A+和+5V電源間接一個(gè)10KW電阻;正端A+和負(fù)端B-間接一個(gè)10KW電阻;負(fù)端B-和地間接一個(gè)10KW電阻,形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)總線上沒(méi)有信號(hào)傳輸時(shí),正端A+的電平大約為3.2V,負(fù)端B-的電平大約為1.6V,即使有干擾信號(hào),卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)0,從而增加了總線抗干擾的能力。
本系統(tǒng)對(duì)RS-485串行通訊的應(yīng)用電路中,在A和B端預(yù)留了上拉電阻、和AB之間的匹配電阻,但實(shí)際使用過(guò)程中,由于通訊距離很短(10m以內(nèi)),所以匹配電阻并沒(méi)有焊上,而是在MAX485和微處理器的TXD和RXD接口處增加了兩個(gè)10KΩ的上拉電阻。用示波器測(cè)量其通訊信號(hào)波形時(shí),發(fā)現(xiàn)R2、R3兩個(gè)上拉電阻接上后,通訊數(shù)據(jù)的波形得到了明顯的改善,通訊成功率大大提高。
RS-485通訊需要嚴(yán)格遵循通訊協(xié)議,否則通訊是不會(huì)建立起來(lái)的。尤其是在主從機(jī)采用不同的處理器時(shí),軟件處理一定的仔細(xì)查看其說(shuō)明文件,不能一視同仁。在本電路的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,就發(fā)現(xiàn)一個(gè)波特率設(shè)置的問(wèn)題。波特率的設(shè)置公式如下:
BAUD= Fosc/16(UBRR+1)
其中BAUD為通訊速率,F(xiàn)osc為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,UBRR為波特率寄存器UBRRH、UBRRL中的值(0~4095)。
波特率的設(shè)置公式中用到了微處理器的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Fosc,我們的主從機(jī)雖然都使用了外部4M晶振,但主機(jī)內(nèi)部將4M頻率三分頻,而從機(jī)仍然使用4M主頻,軟件編寫(xiě)過(guò)程中,將主從機(jī)的波特率寄存器初始化值置為一樣的,這樣就造成了主從機(jī)的波特率相差2倍,通訊當(dāng)然是不能成功的。
為了保證通訊成功,開(kāi)始時(shí)所有從機(jī)復(fù)位,即處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),等待主機(jī)的呼叫。當(dāng)主機(jī)向網(wǎng)上發(fā)出某一從機(jī)的地址時(shí),所有從機(jī)接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符,說(shuō)明主機(jī)在呼叫自己,應(yīng)發(fā)回應(yīng)答信號(hào),表示準(zhǔn)備好開(kāi)始接收后面的命令和數(shù)據(jù);否則不予理睬,繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)呼叫地址。主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答后,則開(kāi)始一次通信。通信完畢,從機(jī)繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),等待呼叫。由于發(fā)送和接收共用同一總線。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽(tīng)到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢,并且沒(méi)有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下,才能應(yīng)答。接受狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過(guò)方向口高低電平的變化來(lái)完成的。
溫度采集和顯示
從機(jī)模塊完成的主要功能是8路溫度模擬信號(hào)的采集和向主機(jī)正確的發(fā)送這8個(gè)采樣溫度,本系統(tǒng)中采用溫度傳感器為AD590。AD590是一個(gè)電流型集成溫度傳感器,其輸出電流正比于絕對(duì)溫度,當(dāng)溫度為 273開(kāi)氏度時(shí),其輸出電流為273微安。溫度每變化1K(也可以理解為1℃),輸出電流變化1微安。將電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器后輸出0~5V(參考電壓為 5V)的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)ATMEG16L的10位A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)存放在從機(jī)的緩存區(qū)。當(dāng)主機(jī)發(fā)出與該從機(jī)相應(yīng)的地址信號(hào)后,從機(jī)應(yīng)應(yīng)答并將采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線送給主機(jī)并顯示在液晶屏幕上。
從機(jī)通過(guò)自己的A/D口直接進(jìn)行模擬量采集比利用多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)采集數(shù)據(jù)要方便的多,為使采樣的溫度數(shù)據(jù)更接近實(shí)際值,我們?cè)谲浖显黾恿艘恍┨幚泶胧?,如求多次采樣的平均值、中值濾波等。
為消除一些人為造成的誤差,我們?cè)谠撝鲝臋C(jī)中使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)電源,這樣開(kāi)關(guān)電源電壓的波動(dòng)對(duì)所有溫度探頭的影響是一致的。另外,所有的溫度探頭線的長(zhǎng)度都保持一致。溫度探頭線和主從機(jī)的通訊線都必須使用屏蔽雙絞電纜,并將屏蔽電纜進(jìn)行良好接地。特別是在RS-485串行通訊中,主從機(jī)必須共地,否則嚴(yán)重時(shí)會(huì)有共模干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。
在實(shí)際的使用過(guò)程中,為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性,還必須對(duì)每個(gè)溫度探頭進(jìn)行校準(zhǔn),一般情況下,我們將32個(gè)或64個(gè)溫度探頭盡量放在一起,并將其統(tǒng)一放在一個(gè)溫度比較穩(wěn)定的老化實(shí)驗(yàn)箱中,穩(wěn)定2個(gè)小時(shí)后,在同一點(diǎn)將所有的探頭校準(zhǔn),并做升溫處理觀察在升溫后各個(gè)溫度點(diǎn)的探頭測(cè)量值是否保持一致。否則應(yīng)在高溫段再校準(zhǔn)并做降溫過(guò)程的跟蹤觀察。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了主從機(jī)用RS-485串行總線,完成對(duì)多路溫度信號(hào)的測(cè)量。特別介紹了RS-485通訊電路在實(shí)際使用中的一些措施 。孵化設(shè)備多路溫度測(cè)試儀器正是采用了這些措施,使得測(cè)試過(guò)程中通訊穩(wěn)定,測(cè)量路數(shù)配置靈活,測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。
責(zé)任編輯:gt
-
處理器
+關(guān)注
關(guān)注
68文章
19463瀏覽量
231439 -
測(cè)試儀
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
3797瀏覽量
55193 -
總線
+關(guān)注
關(guān)注
10文章
2909瀏覽量
88500
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
深度剖析RS-485組網(wǎng)問(wèn)題及總線測(cè)試
![深度剖析<b class='flag-5'>RS-485</b>組網(wǎng)問(wèn)題及<b class='flag-5'>總線</b><b class='flag-5'>測(cè)試</b>](https://file.elecfans.com/web1/M00/51/75/pIYBAFsHYjKAME94AAFwWWC7jTo335.png)
蜘蛛形RS-485多主機(jī)通信組網(wǎng)方式
在RS-485總線上尋求距離還是速度?
RS-485總線是要距離還是要速度?
采用CAN總線與RS-485實(shí)現(xiàn)DSP通信接口
有關(guān)隔離式RS-485收發(fā)器的7大設(shè)計(jì)問(wèn)題
怎么實(shí)現(xiàn)基于RS-485總線的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?
RS-485總線介紹
防止RS-485總線出現(xiàn)致命瞬態(tài)波形的參考設(shè)計(jì)
3個(gè)理由了解為什么CAN總線與RS-485更好
基于RS-485總線的糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)及幾種常見(jiàn)的RS-485接口電路介紹
RS-485總線芯片的選型_應(yīng)用及注意事項(xiàng)
![<b class='flag-5'>RS-485</b><b class='flag-5'>總線</b>芯片的選型_應(yīng)用及注意事項(xiàng)](https://file.elecfans.com/web1/M00/4F/47/o4YBAFrW_9KAQckVAAArgRewF-E982.jpg)
基于RS-485總線的無(wú)線遙控溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
![基于<b class='flag-5'>RS-485</b><b class='flag-5'>總線</b>的無(wú)線遙控溫控<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>設(shè)計(jì)](https://file.elecfans.com/web1/M00/55/A0/o4YBAFsyB6OAH2EOAABM1bgbyZ0578.jpg)
深度解讀RS-485總線
![深度解讀<b class='flag-5'>RS-485</b><b class='flag-5'>總線</b>](https://file.elecfans.com/web2/M00/01/D5/poYBAGDJryGAfFPfAAAKH9sX3X8071.jpg)
評(píng)論