畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題題題題目目目目智能電流電壓變送模塊的設(shè)計(jì)智能電流電壓變送模塊的設(shè)計(jì)智能電流電壓變送模塊的設(shè)計(jì)智能電流電壓變送模塊的設(shè)計(jì)學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)院院院院控制科學(xué)與工程學(xué)院控制科學(xué)與工程學(xué)院控制科學(xué)與工程學(xué)院控制科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)專(zhuān)專(zhuān)專(zhuān)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化姓姓姓姓名名名名學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)號(hào)號(hào)號(hào)號(hào)指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師二OO八年六月十三日目錄目錄目錄目錄摘要摘要摘要摘要2ABSTRACT31概述概述概述概述411智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景412智能變送器的現(xiàn)狀智能變送器的現(xiàn)狀智能變送器的現(xiàn)狀智能變送器的現(xiàn)狀413研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義614本論文的主要工作本論文的主要工作本論文的主要工作本論文的主要工作72硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)821設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路822單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇923電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)9231電壓跟隨器電壓跟隨器電壓跟隨器電壓跟隨器9232電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路10233頻率頻率頻率頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路11234420MA/05V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1224單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051及選擇按鍵及選擇按鍵及選擇按鍵及選擇按鍵132510位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810142610位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC56151527輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)1628RS485總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)17281串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)17282RS485簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1829顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)20210復(fù)位及運(yùn)行監(jiān)視電路設(shè)計(jì)復(fù)位及運(yùn)行監(jiān)視電路設(shè)計(jì)復(fù)位及運(yùn)行監(jiān)視電路設(shè)計(jì)復(fù)位及運(yùn)行監(jiān)視電路設(shè)計(jì)20211硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)22212本章小本章小本章小本章小結(jié)結(jié)結(jié)結(jié)223應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)2331總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路2332監(jiān)控程序模塊監(jiān)控程序模塊監(jiān)控程序模塊監(jiān)控程序模塊2333數(shù)據(jù)采集和處理模塊數(shù)據(jù)采集和處理模塊數(shù)據(jù)采集和處理模塊數(shù)據(jù)采集和處理模塊2434采樣定時(shí)模塊采樣定時(shí)模塊采樣定時(shí)模塊采樣定時(shí)模塊2635軟件抗軟件抗軟件抗軟件抗干擾的設(shè)計(jì)干擾的設(shè)計(jì)干擾的設(shè)計(jì)干擾的設(shè)計(jì)2636本章小結(jié)本章小結(jié)本章小結(jié)本章小結(jié)274結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)28參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)29致謝致謝致謝致謝30附錄附錄附錄附錄31摘摘摘摘要要要要隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的進(jìn)步，以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的口益成熟，數(shù)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。論文闡述了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通信的發(fā)展概況和智能變送器的現(xiàn)狀，分析了智能變送器的作用和工作原理，針對(duì)應(yīng)用中不同的輸入信號(hào)輸入不同幅值的弱直流電信號(hào)的要求，設(shè)計(jì)了智能電壓電流變送模塊。它實(shí)現(xiàn)了弱電信號(hào)放大，并能根據(jù)信號(hào)的幅值大小來(lái)自動(dòng)改變放大系數(shù)，提高測(cè)量靈敏度，對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理后，既能輸出05V、010V、420MA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，又能通過(guò)RS485總線與其他上位機(jī)或同位機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。系統(tǒng)根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)范圍通過(guò)不同的電壓、電流、頻率采集電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換到05VDC,由單片機(jī)利用模擬開(kāi)關(guān)CD4051選擇后通過(guò)多通道10位串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7810進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行濾波、標(biāo)度變換等數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)位并行D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成05V、010V、420MA等信號(hào)輸出，或通過(guò)隔離后的RS485總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有獨(dú)立的看門(mén)狗電路和EEPROM存儲(chǔ)器電路，提高了系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)軟件采用MCS51單片機(jī)匯編語(yǔ)言，模塊化程序設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了儀表監(jiān)控主程序、放大器增益設(shè)定程序、ADC轉(zhuǎn)換和處理子程序、DAC轉(zhuǎn)換等子模塊，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信協(xié)議。系統(tǒng)完成后，經(jīng)聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試和實(shí)際通信結(jié)果表明性能良好，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞智能變送器通信單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)量信號(hào)ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFAUTOMATIONANDTHEPROGRESSOFTHEMICROELECTRONICTECHNOLOGY,ANDTHEMATUREOFFIELDBUS,DIGITALCONTROLTECHNOLOGYISWIDELYUSEDINPRODUCTIONPROCESS,SOCOLLECTION,TRANSITIONANDTREATMENTOFSIGNALSHOULDMEETHIGHERREQUIREMENTSTHISTHESISISABOUTGENERALDEVELOPMENTOFFIELDSIGNALCOMMUNICATIONANDSTATUSOFINTELLIGENTTRANSDUCER,ANALYZESFUNCTIONANDOPERATIONPRINCIPLEOFINTELLIGENTTRANSDUCERTHETRANSDUCERISDESIGNEDCHIEFLYFORDIFFERENTWEAKOUTPUTSIGNALOFNONSTANDARDSENSORSITCANAMPLIFYTHEWEAKSIGNAL,ALTERTHEAMPLIFICATIONFACTORACCORDINGTOTHESIZEOFTHEWEAKSIGNALANDIMPROVESYSTEMSENSITIVITYAFTERSAMPLEDATAPROCESSED,ITNOTONLYCANOUTPUT05V,010VAND420MASTANDARDDIRECTCURRENT,BUTALSOCANCOMMUNICATEWITHOTHERCOMPUTERSANDSINGLECHIPBYMEANOFRS一485BUSACCORDINGTOTHEOUTPUTSIGNALRANGEOFTHESENSOR,THESYSTEMSETSTHEGAINOFAMPLIFICATIONLINKFROMDIFFERENTVOLTAGE,FREQUENCYANDELECTRICCURRENTSIGNALS,AMPLIFIESTHEWEAKSIGNALTODC05V,THENMAKESA/DTRANSITIONTHROUGHMULTIPASSAGESAND10BITAD7810,BRINGSTHESAMPLEDDATATOSINGLECHIP89C52,FILTERINGTHEDATA,ANDTRANSFERRINGSURVEYORETC,THENTRANSITSTHEDATATO05V,010VAND420MASIGNALSBYTLC5615,ORSENDSTHEDATATOOTHERCOMPUTERSTHROUGHISOLATEDRS一485BUSTHEDESIGNOFTHESYSTEMHASITSOWNSEPARATEWATCHDOGANDEEPROMMEMORYIRCUIT,THEREFOREITCANIMPROVESYSTEMRELIABILITYSOFTWAREOFTHESYSTEMDESIGNSMAINPROGRAM,AMPLIFIERGAINSETTINGPROGRAM,ADCTRANSITIONPROGRAM,DACTRANSITIONPROGRAMANDPROCESSINGSUBPROGRAMBYADOPTINGASSEMBLELANGUAGEOFMCS51SINGLECHIPANDMODULARIZATIONPROGRAMDESIGNMETHOD,ANDALSODESIGNSCORRESPONDINGCOMMUNICATIONPROTOCOLTHERESULTISVERIFIEDTOATTAINTHEINDEXREQUIREMENTSBYDEBUGGINGANDPRACTICALOPERATING,AFTERSYSTEMDESIGNHASFINISHEDKEYWORDINTELLIGENTTRANSDUCERCOMMUNICATIONSINGLECHIPFIELDBUSMEASURINGSIGNAL1概述概述概述概述11智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景智能變送器的產(chǎn)生背景自動(dòng)化儀表主要由檢測(cè)儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，相應(yīng)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近10年來(lái)在控制系統(tǒng)方面有了很大進(jìn)展。控制系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了高度復(fù)雜的分散型過(guò)程控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)價(jià)格的大幅度下降，PC機(jī)和各種單片機(jī)在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用口益廣泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測(cè)量?jī)x表往往用單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機(jī)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的顯示、存儲(chǔ)和匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來(lái)越迅速。這樣就使常規(guī)的模擬儀表日薄西山。DCS、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、IPC、PLC、可編程單回路調(diào)節(jié)器等基本上主宰了這一領(lǐng)域。過(guò)程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢(shì)控制中心向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)中的回路級(jí)或裝置級(jí)的控制功能將下放到現(xiàn)場(chǎng)，使系統(tǒng)成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。開(kāi)放系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。開(kāi)放系統(tǒng)要求互連性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開(kāi)放系統(tǒng)帶來(lái)了曙光。DI公司CONTROLSYSTEMINTERNATIONALINC推出一種UCOS用戶可配置開(kāi)放系統(tǒng)DCS，它采用冗余的以太網(wǎng)或光纖局域網(wǎng)將控制臺(tái)、各工作站計(jì)算機(jī)及各現(xiàn)場(chǎng)控制單兀FCU連接起來(lái)，它采用可來(lái)自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用WINDOWSNT，非專(zhuān)利的現(xiàn)場(chǎng)控制單?？商峁┒嗳蝿?wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問(wèn)能力，與其連接的I/O子系統(tǒng)亦可來(lái)自多方廠商。毫無(wú)疑問(wèn)，這種系統(tǒng)將成為真正的開(kāi)放系統(tǒng)。智能控制技術(shù)將得到進(jìn)一步應(yīng)用。專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用。目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種研究“熱”無(wú)疑將會(huì)使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。多媒體技術(shù)的應(yīng)用。多媒體技術(shù)無(wú)疑可以引入過(guò)程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從DCS的計(jì)算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)畫(huà)面，聽(tīng)到來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的聲音，以此來(lái)監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。由于智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，過(guò)程控制的主流系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能向現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移和分散，專(zhuān)利系統(tǒng)將向用戶可配置集成的開(kāi)放系統(tǒng)過(guò)渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難以滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來(lái)由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度、A/D與D/A變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測(cè)量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對(duì)于量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機(jī)多用即以同一檢測(cè)模板用于不同物理量的檢測(cè)場(chǎng)合，并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來(lái)越為廣大科技人員所關(guān)注。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開(kāi)創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。1212智能變送器的智能變送器的智能變送器的智能變送器的發(fā)展發(fā)展發(fā)展發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)狀現(xiàn)狀現(xiàn)狀變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過(guò)程工藝的復(fù)雜化。對(duì)自動(dòng)化的依賴性越來(lái)越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。目前普通使用的變送器是以70年代統(tǒng)一的420MADC模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳送信號(hào)的二線制變送器國(guó)內(nèi)還有少量四線制010MADC信號(hào)變送器。它們?cè)趥魉托盘?hào)時(shí)，模擬信號(hào)不能簡(jiǎn)單迭加，信道為一對(duì)一，即一或二對(duì)導(dǎo)線上只能傳輸一個(gè)變送器輸出信號(hào)，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體內(nèi)直接使用微處理器芯片，對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行數(shù)字化處理，并增加數(shù)字通信接口，可直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個(gè)變送器可共用一條通信總線并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)引線。微處理器直接對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使變送器的測(cè)量精度和量程比大為提高，并具有診斷報(bào)警功能，還可克服溫漂和各種零漂影響，有的還具有直接PID輸出等高級(jí)處理功能。通過(guò)數(shù)字雙向通信，可在控制室中對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、標(biāo)定和組態(tài)，因此智能變送器的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通變送器，近10年來(lái)在國(guó)外已獲得日益廣泛的應(yīng)用。1983年，美國(guó)HONEYWELL公司將第一個(gè)稱為SMART變送器的STJ3000D壓力變送器推入了美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使智能變送器進(jìn)入了商品化。隨后美國(guó)的ROSEMOUNT，F(xiàn)OXBORO等一些公司在1986年美國(guó)儀表學(xué)會(huì)ISA的會(huì)議上爭(zhēng)相推出了一些稱為SMART變送器的新型智能變送器系列。這類(lèi)變送器具有適合各種新應(yīng)用的能力，克服了以往模擬變送器準(zhǔn)確度不夠高、漂移過(guò)大、量程有限、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一些不足。由十這類(lèi)變送器內(nèi)部有微處理機(jī)，采用了數(shù)字集成化測(cè)量方式，不僅能輸出420MA的模擬信號(hào)，而且還能輸出數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)和控制室之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測(cè)量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測(cè)量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如總的測(cè)量回路可以不用數(shù)一模轉(zhuǎn)換器和模一數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于智能變送器采用先進(jìn)傳感技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字通訊技術(shù)，加上采用超大規(guī)模離子注入技術(shù)及超精細(xì)加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是一般變送器無(wú)法比擬的具有420MADC或數(shù)字信號(hào)輸出功能。有較高的精度和較好重復(fù)性。一般智能變送器精度為士01，如工作在數(shù)字方式下則更高。另外由于智能變送器有環(huán)境溫度及靜壓補(bǔ)償，不受晝夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復(fù)性。遷移范圍大。智能變送器的遷移量可達(dá)1900，2000,而普通型壓力變送器為500，600。寬量程比。智能變送器量程比普遍達(dá)到401以上，而普通型變送器一般為101。寬量程比可使變送器本身的實(shí)用性，通用性得以提高，給用戶及設(shè)計(jì)者帶來(lái)方便，減少備用表數(shù)量及種類(lèi)。完善的自診斷功能。通過(guò)通信器可查出變送器自身診斷的故障結(jié)果信息。通過(guò)DCS或通信器可遠(yuǎn)距離對(duì)變送器編程、組態(tài)、檢查和校驗(yàn)。傳統(tǒng)的變送器在調(diào)校時(shí)，應(yīng)從現(xiàn)場(chǎng)拆除進(jìn)行離線校驗(yàn)，既影響生產(chǎn)又很繁瑣，而且有些變送器是安裝在高溫、高壓、危險(xiǎn)爆炸場(chǎng)所或者人們很難達(dá)到的地點(diǎn)，采用智能變送器避免了以上繁瑣危險(xiǎn)的工作。11這類(lèi)變送器無(wú)論做哪一種參數(shù)的測(cè)量，都有一個(gè)共同的方式，就是都有一個(gè)主測(cè)量傳感器，產(chǎn)生一個(gè)微處理機(jī)能夠采用的信號(hào)。智能變送器的發(fā)展是與傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。具有通訊功能是智能變送器的共同特點(diǎn)。用通訊方法將測(cè)量結(jié)果送入操作站，不會(huì)損失精度。因此，比模擬信號(hào)通過(guò)A/D進(jìn)入操作站更優(yōu)越。這種智能變送器給用戶帶來(lái)了極大的方便。它可以通過(guò)一個(gè)SFC智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的變送器進(jìn)行組態(tài)，變更，校準(zhǔn)，自診斷，還可以將現(xiàn)場(chǎng)變送器作為一個(gè)420MA的恒流源來(lái)使用也是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通訊器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。34另外智能變送器組態(tài)的內(nèi)容包括遠(yuǎn)程設(shè)定變送器標(biāo)號(hào)，線性輸出或是方根輸出，測(cè)量范圍，阻尼時(shí)間常數(shù)等。變更測(cè)量范圍時(shí)，不需要把變送器從過(guò)程線管線上拆下來(lái)，也不需要對(duì)變送器送入差壓信號(hào)或壓力信號(hào)，只需要通過(guò)SFC鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單操作就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、變更和校準(zhǔn)，就像我們用遙控器對(duì)電視機(jī)或錄像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱一樣。這種變更和校準(zhǔn)不需要電流電壓表參與，而且零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整互不干擾。這樣一來(lái)就大大減少了工廠檢修停工期和縮短維修時(shí)間。智能變送器的自診斷功能也給使用和維修帶來(lái)不少實(shí)惠，比如JTD200型變送器，自診斷的內(nèi)容包括組態(tài)檢查、通訊檢查、變送器工作檢查、過(guò)程異常檢查等。診斷顯示共有27種型式，通過(guò)這些顯示，立即可以識(shí)別問(wèn)題所在區(qū)段。智能通訊器和現(xiàn)場(chǎng)變送器通訊的方式各家公司是不一樣的，有的是無(wú)線的，有的是將通訊信號(hào)子以調(diào)制，通過(guò)420MA的直流信號(hào)線進(jìn)行傳送。智能變送器是微處理機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)進(jìn)入變送儀表的必然產(chǎn)物，它使儀表變得更靈巧。微機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)將會(huì)引入越來(lái)越多的儀表。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此它最適用于測(cè)量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測(cè)量精度高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應(yīng)用場(chǎng)合。具體應(yīng)用場(chǎng)合敘述如下1用于現(xiàn)場(chǎng)總線根據(jù)ISASP一50委員會(huì)定義的現(xiàn)場(chǎng)總線概念，智能變送器將在現(xiàn)場(chǎng)總線中扮演主要角色，具有PID調(diào)節(jié)功能的變送器可以進(jìn)一步將集中控制的危險(xiǎn)性分散到最小，同時(shí)采用數(shù)字通訊，節(jié)省了大量的模擬通訊電線。目前智能變送器的價(jià)格已經(jīng)接近普通變送器的水平。而對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，可以在控制室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行調(diào)整，更改量程，組態(tài)等操作，相當(dāng)方便。2用于特殊場(chǎng)合對(duì)十現(xiàn)場(chǎng)總線尚未普及的情況，智能變送器可用于高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場(chǎng)合，可減少維護(hù)人員的工作量及遇到危險(xiǎn)的可能性。3用于要求測(cè)量精度高的場(chǎng)合對(duì)十一些環(huán)境溫度及過(guò)程靜壓變化較大而要求測(cè)量精度高的場(chǎng)合，利用智能變送器具有溫度及靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ?，可明顯提高變送器的測(cè)量準(zhǔn)確性，如儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)灌區(qū)液位的測(cè)量點(diǎn)以及冬季與夏季、晝夜之間溫差較大，很容易使普通變送器誤差增加一倍，而智能變送器卻能夠克服這一缺點(diǎn)，提高測(cè)量精度。4用于量程范圍較大的場(chǎng)合近年來(lái)，受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的影響，煉油廠加工的原油性質(zhì)及處理量有較大的波動(dòng)，導(dǎo)致部分流量的測(cè)量回路經(jīng)常出現(xiàn)超量程或低量程運(yùn)行，而采用的FC系列變送器，量程比太小101，改量程時(shí)變送器需換型，給生產(chǎn)維護(hù)帶來(lái)了不便，也增加了各種量程的變送器的備用數(shù)量，增加了企業(yè)固定資金的投入。智能變送器具有401的量程比，很容易克服上述困難。由于其更高的性能價(jià)格比，智能變送器不僅在二十一世紀(jì)的數(shù)字化時(shí)代，而且在現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)期也應(yīng)該是大有可為的，必定有美好的應(yīng)用前景。2413研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義研究本課題的目的和意義在實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目中，因項(xiàng)目資金有限，選用市售智能變送器會(huì)大大增加項(xiàng)目資金的投入，項(xiàng)目指標(biāo)要求也許僅僅為了觀測(cè)某點(diǎn)參數(shù)的情況，在參數(shù)越限報(bào)警時(shí)能及時(shí)給出報(bào)警信息，還可以隨應(yīng)用系統(tǒng)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程的設(shè)定和故障診斷，選用模擬變送器達(dá)不到系統(tǒng)要求，選用市售智能變送器會(huì)造成功能浪費(fèi)。鑒于以上原因，系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往采用傳感器主機(jī)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)儀表形式，可降低系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)所需功能。同一種傳感器制作時(shí)材料、工藝的差別，使每只傳感器輸出信號(hào)幅值都不一樣，如同批次某應(yīng)變片式壓力傳感器，在同一5VDC電壓供電情況下，滿量程時(shí)輸出信號(hào)在55MV68MV之間變化不同作用的傳感器同樣存在輸出信號(hào)不同一的問(wèn)題。這給主機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修帶來(lái)了很大困難。所以，對(duì)選用輸出不同幅值的弱信號(hào)傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種通用的主機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變送和傳輸，可降低系統(tǒng)成本，便于調(diào)試、維修，是相當(dāng)必要和有現(xiàn)實(shí)意義的。2514本論文的主要工作本論文的主要工作本論文的主要工作本論文的主要工作在充分了解國(guó)內(nèi)外變送器發(fā)展動(dòng)態(tài)的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，研制了相應(yīng)的硬件裝置，完成了軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容如下1針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中不同幅值電壓、電流、頻率輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的采集電路2選擇合適的ADC和DAC芯片，進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，輸出模擬05V、010V、420MADC等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以達(dá)到與模擬變送器兼容3擴(kuò)展RS一485總線接口，設(shè)計(jì)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化傳輸4顯示電路設(shè)計(jì)5復(fù)位、看門(mén)狗、存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)6軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7抗干擾措施。具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)以下各章。2硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)21設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路設(shè)計(jì)總體思路變送器是工業(yè)過(guò)程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一。主要完成物理信號(hào)的測(cè)量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過(guò)程工藝的復(fù)雜對(duì)自動(dòng)化的依賴性越來(lái)越大，變送器用量不斷增多要求不斷提高。模擬式變送器主要是由運(yùn)算放大器、電阻、電容等器件構(gòu)成，功能較單一，主要起信號(hào)放大、變換作用。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來(lái)由十低功耗、多功能單片微處理器、高精度A/D與D/A變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。智能變送器都是以CPU為核心構(gòu)成的數(shù)字化儀表，智能變送器工作原理如圖21所示。圖21智能變送器工作原理圖智能變送器采用CPU后，不僅可對(duì)電壓、電流、頻率等電參量進(jìn)行測(cè)量與變送，還能大大提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連線，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用即以同一檢測(cè)模板用于不同物理量的檢測(cè)場(chǎng)合，滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信號(hào)傳輸，已越來(lái)越為廣大科技人員所關(guān)注。同時(shí)世界上一些主要的儀表制造公司相繼研制成功了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開(kāi)創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。本論文智能變送器的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)選擇、采集電路設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換器選擇及接口電路設(shè)計(jì)、D/A轉(zhuǎn)換器電路選擇及接口設(shè)計(jì)、看門(mén)狗電路/存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)、RS一485總線接口電路設(shè)計(jì)、輸出轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、顯示器接口電路設(shè)計(jì)等。變送器硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖22所示。下面將分節(jié)給予介紹。圖22硬件設(shè)計(jì)原理框圖變壓器及分壓電路模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理數(shù)/模轉(zhuǎn)換V/I轉(zhuǎn)換交/直流轉(zhuǎn)換電壓跟隨器電壓輸入放大電路頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路420MA/05V轉(zhuǎn)換電路CD4051多路開(kāi)關(guān)AD7810光隔光隔單片機(jī)光隔光隔TLC5615AD694RS485接口看門(mén)狗、存儲(chǔ)器電路液晶顯示電路05V010V220V頻率F420MA05V010V420MA22單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇因MCS51系列單片機(jī)已被國(guó)內(nèi)用戶廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，貨源充足，資料豐富，仿真工具種類(lèi)繁多且成熟，因此設(shè)計(jì)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列的89C52單片機(jī)，其本身具有8051CPU內(nèi)核，片內(nèi)256字節(jié)RAM、特殊功能寄存器SFR、8KBFLASH程序存儲(chǔ)器、4個(gè)8位并行I/O口、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、全雙工串行口、布爾處理器、2個(gè)優(yōu)先級(jí)的6個(gè)中斷源等內(nèi)部資源。硬件擴(kuò)展方便，用途廣泛。5623電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)為使變送模塊能夠具有更廣泛的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)決定采用直流05V、010V，交流220V的電壓和420MA的電流信號(hào)輸入以及頻率信號(hào)輸入等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的電信號(hào)，為了能夠?qū)Σ煌男盘?hào)都能夠進(jìn)行精確的測(cè)量，分別對(duì)以上信號(hào)采用電壓跟隨器、電壓輸入放大電路、由TL431DIP8及OP07組成的420MA/05V轉(zhuǎn)換電路以及由LM331組成的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路將各種信號(hào)都轉(zhuǎn)換成05V的AD能夠直接處理的電信號(hào)，以方便信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換，下面分別對(duì)各電路進(jìn)行介紹。7231直流電壓采集電路直流電壓采集電路直流電壓采集電路直流電壓采集電路本設(shè)計(jì)的直流電壓輸入部分對(duì)05V和010V兩種直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集，采用電壓跟隨器為主要電路。在同相比例運(yùn)算電路中，若將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端，就構(gòu)成了電壓跟隨器。電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說(shuō)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)椋妷悍糯笃鞯妮敵鲎杩挂话惚容^高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。由于以上原因，將設(shè)計(jì)中的05V和010V直流電壓輸入采用電壓跟隨器。8考慮到實(shí)際應(yīng)用中的安全性和可能遇到的干擾，在電路中加入了限流電阻和濾波電容，以增強(qiáng)電路在實(shí)際應(yīng)用中的性能。對(duì)于010V的輸入電路，采用精密電阻進(jìn)行分壓使以其較為準(zhǔn)確的達(dá)到05V的AD轉(zhuǎn)換器能夠處理的范圍，05V的采集電路如圖23，010V的采集電路如圖24所示。圖2305V采集電路圖24010V采集電路232電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路電壓輸入放大電路對(duì)于220V的交流電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)采用的是如圖25所示的電壓輸入放大電路，電壓通過(guò)變壓器取信號(hào),然后經(jīng)放大送到下一級(jí)。通過(guò)變壓器變壓后電壓變?yōu)?00V，在經(jīng)過(guò)電阻R1和R2進(jìn)行分壓后可取得1V的電壓，然后將其送入運(yùn)放進(jìn)行放大，圖中UT和被測(cè)電壓UT成正比,變化范圍為0475V，在A/D的處理范圍之內(nèi)。9圖25電壓輸入放大電路233頻率頻率頻率頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其功能框圖如圖26所示。LM331內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時(shí)比較電路、（3）RS觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動(dòng)管、（6）能隙基準(zhǔn)電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開(kāi)關(guān)、（9）輸出保護(hù)點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開(kāi)路形式，因此可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為440V，輸出也高達(dá)40V。I（PIN1）為電流源輸出端，在F（PIN3）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源輸出對(duì)電容充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。F（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由T和T決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）圖26LM331功能框圖為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。V/F變換和F/V變換采用集成塊LM331，LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到40V電源電壓下都有極高的精度。同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100DB；線性度好，最大非線性失真小于001，工作頻率低到01HZ時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。由LM331構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖26所示，輸入脈沖FI經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2VCC/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1加有VCC的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的VCC上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于VCC/3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開(kāi)關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源VCC通過(guò)電阻RT對(duì)電容CT充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到2VCC/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開(kāi)關(guān)打向左邊，電容CL通過(guò)電阻RL放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容CT迅速放電，完成一次充放電過(guò)程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過(guò)程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路RT、CT決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多輸出電壓電容CL兩端的電壓就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓VO與FI的關(guān)系為VO209RLRTCTFI/RS圖27所示為由LM331所組成的F/V轉(zhuǎn)換電路。圖27LM331F/V電路圖234420MA/05V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖28是實(shí)際使用中效果較好的一種420MA/05V轉(zhuǎn)換電路。這個(gè)電路的特點(diǎn)為首先，對(duì)運(yùn)放的供電采用了有DIP封裝的TL431組成的高精度穩(wěn)壓電路，這種TL431采用DIP8封裝，耗散功率達(dá)到1W，更改供電電壓只需更換分壓電阻就可以輕易做到。其次，運(yùn)算放大器選擇使用的是高精度低失調(diào)的OP07，其參數(shù)指標(biāo)大大優(yōu)于普通廉價(jià)運(yùn)放。最為關(guān)鍵的是在對(duì)零點(diǎn)信號(hào)的處理上，可以保證4MA輸入的時(shí)候運(yùn)放ICC的輸出電壓等于零。其工作原理為運(yùn)放ICD的同相輸入端電壓由經(jīng)過(guò)TIA31穩(wěn)壓后的負(fù)電源提供，它通過(guò)R6與R7的分壓，取R7上的電壓與R1上在4MA時(shí)的電壓一樣，然后，經(jīng)過(guò)運(yùn)放的緩沖，從運(yùn)放輸出接有一只PNP型三極管用于擴(kuò)展輸出能力，實(shí)際這是一個(gè)典型的運(yùn)算放大器穩(wěn)壓電源，其輸出將跟隨著運(yùn)放同相端的電壓，可以從接近零的電壓起調(diào)。R1就是420MA的I/V轉(zhuǎn)換電阻，按照上述道理，由于運(yùn)放的作用，這個(gè)電阻的最小取值可以很小，電阻越小越能減輕前方傳感變送器的供電要求。正是考慮到傳感變送器屬于一種遠(yuǎn)傳信號(hào)的使用環(huán)境，為了防止干擾信號(hào)，加有輸入濾波電容器C1和兩只1N4148二極管對(duì)輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)電壓進(jìn)行保護(hù)。例如取R125，4MA時(shí)，其壓降01V，把ICD的同相端輸入電壓配置為負(fù)的01V，這樣，輸入信號(hào)的01V與這個(gè)IV配置的負(fù)01V恰好互相抵消，ICC輸出將是零電壓。隨著輸入電流的增大，如果輸入電流是5MA，I/V轉(zhuǎn)換電壓將是0125V如果輸入電流是20MA，IV取樣電壓就是500MV。這樣可以把這個(gè)電壓放大10倍得到5V滿度輸出，或者放大20倍得到10V滿度輸出。為了方便工程上的工作方便，減少同時(shí)手續(xù)，對(duì)R1、R6、R7、R9、R10等重要電阻，必須選擇其精度01的E96分度的金屬膜電阻，其溫度漂移參數(shù)最好能夠不大于50PPM，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。運(yùn)算放大器OP07本身在零電壓輸而輸出不為零時(shí)，可以在其1PN8P上連接微調(diào)電位器進(jìn)行靜態(tài)零點(diǎn)調(diào)整，也可以在零點(diǎn)電流輸入時(shí)一并處理。由ICA和ICB組成的高精度穩(wěn)壓電源，其輸出電壓應(yīng)該大于主電路要求的滿度輸入電壓至少3V以上，不能使用T902小功率封裝的TL431替換本電路DIP8封裝的TL431。圖28420MA/05V轉(zhuǎn)換電路24單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051CD4051及選擇按鍵及選擇按鍵及選擇按鍵及選擇按鍵開(kāi)關(guān)在電路中起接通信號(hào)或斷開(kāi)信號(hào)的作用。最常見(jiàn)的可控開(kāi)關(guān)是繼電器，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路加高電平或低電平時(shí)，繼電器就吸合或釋放，其觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)電路。CMOS模擬開(kāi)關(guān)是一種可控開(kāi)關(guān)，它不象繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場(chǎng)合，而是適于處理幅度不超過(guò)其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)通過(guò)其中的一種單八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051對(duì)輸入信號(hào)的導(dǎo)通進(jìn)行選擇。CD4051引腳功能見(jiàn)圖29。CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來(lái)決定。其真值表見(jiàn)表21。“INH”是禁止端，當(dāng)“INH”1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰峰值達(dá)15V的交流信號(hào)。例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VDD5V，VSS0V，當(dāng)VEE5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加05V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為5V5V的模擬信號(hào)。表21CD4051引腳功能表輸入狀態(tài)接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通圖29CD4051功能引腳圖為了對(duì)不同的輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，在設(shè)計(jì)中加入了選擇按鍵，15選擇按鍵分別連接在單片機(jī)上通過(guò)按下不同的按鍵使I/O口的電平發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)程序由CD4051選擇不同的電路以達(dá)到選擇不同輸入點(diǎn)信號(hào)的目的。圖210為CD4051、選擇按和單片機(jī)的連接圖。圖210CD4051、選擇按鍵與單片機(jī)連接圖2510位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810AD7810AD7810是美國(guó)模擬器件公司（ANALOGDEVICES）生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單，AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2S，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源（27V55V）供電。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐率為1KSPS時(shí)的功耗僅為27W，因此特點(diǎn)適合于便攜式儀表及各種電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合使用。D7810引腳排列如圖211所示，各引腳的功能如下圖211AD7810引腳圖1腳CONVST轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入信號(hào)。2腳VIN模擬信號(hào)同相輸入端。3腳VIN模擬信號(hào)反相輸入端。4腳GND接地端口。5腳VREF轉(zhuǎn)換參考電壓輸入端。6腳DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端。7腳SCLK時(shí)鐘輸入端。8腳VDD電源端。AD7810組建電路方便，應(yīng)用時(shí)幾乎不需外圍元件。圖212所示是AD7810與89C5單片機(jī)的接口連接電路圖，如圖所示，其參考電壓VREF接至VDD，模擬輸入VIN接至GND，而待轉(zhuǎn)換電壓則從VIN輸入。SCLK、DOUT、CONVST分別與89C52的P10、P11、P12相連。10圖212AD7810與89C52單片機(jī)連接圖2610位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615TLC5615是一個(gè)串行10位DAC芯片，性能比早期電流型輸出的DAC要好。只需要通過(guò)3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器單片機(jī)接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話，也適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)如下單5V電源工作；3線串行接口高阻抗基準(zhǔn)輸入端DAC輸出的最大電壓為2倍基準(zhǔn)輸入電壓上電時(shí)內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位微功耗，最大功耗為175MW轉(zhuǎn)換速率快，更新率為121MHZ。小型D封裝TLC5615CD和塑料DIPP封裝TLC5615CP的工作溫度范圍為070而小型D封裝TLC5615ID和塑料DIPP封裝TLC5615IP的工作溫度在4085的范圍內(nèi)。TLC5615的引腳圖和于單片機(jī)的連接原理圖分別如圖213和214所示。11圖213TLC5615引腳圖圖214TLC5615與單片機(jī)連接圖27輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)輸出模塊電路設(shè)計(jì)為了能滿足工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)尤其是計(jì)算機(jī)控制方面的需求，本設(shè)計(jì)的輸出模塊采05V、010V、420MA三種輸出方式，其中05V與010V輸出采用電壓跟隨器。而420MA的輸出則采用AD694芯片以達(dá)到將05V電壓轉(zhuǎn)換為420MA電流。AD694是一種單片電壓第一部分是V/I轉(zhuǎn)換器第二部分是偏置電流和參考電壓發(fā)生器。圖215AD694功能框圖AD694預(yù)先設(shè)定的輸入信號(hào)是OLOV或02V，當(dāng)輸入不是這兩種信號(hào)時(shí)，可以直接應(yīng)用AD694進(jìn)行輸入量程的調(diào)整，調(diào)整的方法有兩種。第一種是調(diào)節(jié)輸入緩沖放大器的增益，具體方法是把SIC引腳3作為輸入端，在引腳1,2之間接反饋電阻，在引腳2,5之間接一電阻，兩電阻與緩沖放大器A,構(gòu)成正端輸入比例運(yùn)算放大器。要說(shuō)明的是，當(dāng)輸入信號(hào)最大值介于2LOV之間時(shí)，2VFS懸空，VS125V當(dāng)輸入信號(hào)最大值介于02V時(shí)，2VFS接公共端，VS45V36V。第一種方法是調(diào)節(jié)V/I轉(zhuǎn)換器的跨導(dǎo)，在R2兩端引腳4,5之間并接電阻，此時(shí)，LOUT20XV引腳1/R1RX/R并，可見(jiàn)，并聯(lián)適當(dāng)電阻后輸出016MA。采用第二種方法時(shí)，AD694供電電壓要比輸入信號(hào)至少大25V，這是內(nèi)部放大器正常工作所需要的。例如，輸入O5V信號(hào)，供電電壓最低75V。1228RS485總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)總線接口電路設(shè)計(jì)281串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)串行通信接口的基本任務(wù)1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化因?yàn)閬?lái)自CPU的是普通的并行數(shù)據(jù)，所以接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。在異步通信方式下，接口自動(dòng)生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符。2進(jìn)行串一并轉(zhuǎn)換串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。所以當(dāng)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)送至數(shù)據(jù)發(fā)送器時(shí)，首先把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)才能送入計(jì)算機(jī)處理。因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務(wù)。3控制數(shù)據(jù)傳輸速率串行通信接口電路應(yīng)具有對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率波特率進(jìn)行選擇和控制的能力。4進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)在發(fā)送時(shí)接口電路對(duì)傳送的字符數(shù)據(jù)自動(dòng)生成奇偶校驗(yàn)位或其他校驗(yàn)碼。在接收時(shí)，接口電路檢查字符的奇偶校驗(yàn)或其他校驗(yàn)碼，確定是否發(fā)生傳送錯(cuò)誤。5進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換CPU和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負(fù)邏輯不兼容，需在接口電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。6提供EIARS232C接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號(hào)線遠(yuǎn)距離通信采用MODEM時(shí)，需要9根信號(hào)線近距離零MODEM方式，只需要3根信號(hào)線。這些信號(hào)線由接口電路提供，以便與MODEM或終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。13282RS485簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介RS485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范已成為工業(yè)界應(yīng)用中最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信，它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸距離以及可靠性等是其他標(biāo)準(zhǔn)所無(wú)法比擬的。RS232與RS485的區(qū)別由于RS232C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)1接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。2傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20KBPS。3接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以擾性弱。4傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。針對(duì)RS232C的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS485就是其中之一，它具有以下特點(diǎn)1RS485的電氣特性邏輯“1”以兩線間的電壓差為26V表示邏輯“0”以兩線間的電壓差為26V表示。接口信號(hào)電平比RS232C降低了，所以不易損壞接口電路的芯片，而且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。其指令為十六進(jìn)制格式，支持LC01協(xié)議，更適合與單片機(jī)等微型控制器接口。2RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為L(zhǎng)OMBPS。3RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。4RS485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS232C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB9孔?；谝陨显砗痛舜卧O(shè)計(jì)實(shí)際的需要，本文的設(shè)計(jì)采用了半雙工的工作模式。該電路為通信協(xié)議物理層硬件設(shè)計(jì)。電路原理如圖216所示圖216RS485總線接口電路原理圖電路采用高速光電耦合器，以適應(yīng)高速串行數(shù)據(jù)通信要求，提高通信電路的抗干擾能力SN75LBC184是美國(guó)TI工公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片，該芯片在傳輸率為250KBPS的情況下可傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離可達(dá)15KM，它使用單一電源VCC，電壓在3055V范圍內(nèi)均能正常工作，可以完成TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換。該芯片與普通的RS485收發(fā)器相比有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即片內(nèi)A,B引腳接有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，可以承受峰值為400W典型值的過(guò)壓瞬變。由于引起過(guò)壓瞬變的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)干擾等，因而它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)于一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)即當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣，即使在接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，也不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)淮輸入阻抗的2倍24K，故可在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。電路設(shè)計(jì)采用開(kāi)路失效保護(hù)措施，提高了網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性和故障的易診斷性。電路工作原理1發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，8051置P17為高電平，使75LBC184處于驅(qū)動(dòng)器工作方式，串行數(shù)據(jù)由8051的TXD端經(jīng)光電藕合器，由75LBC184變?yōu)椴罘中盘?hào)傳送到屏蔽雙絞線上。2接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)時(shí)，8051置P17為低電平，使75LBC184處于接收器工作方式，雙絞線上的差分信號(hào)經(jīng)75LBC184變換為T(mén)TL電平信號(hào)，經(jīng)光電藕合器6N137送至8051RXD端，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收。數(shù)字通信是智能變送器的基本功能，硬件設(shè)計(jì)采用RS485總線將多臺(tái)變送器連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種RS485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易十控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。串行通信是CPU與外界進(jìn)行信息交換的一種方式。串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位的按順序傳送的通信方式，其突出優(yōu)點(diǎn)是只需一根傳輸線，可大大降低硬件成本，特別適合遠(yuǎn)距離通信。其缺點(diǎn)是傳輸速度較低，每秒鐘能發(fā)送或接收的二進(jìn)制位數(shù)稱為波特率。29顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)顯示接口電路設(shè)計(jì)PS7219是一種新型的串行接口的8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片。它是由武漢力源公司新推出的24腳雙列直插式芯片，采用流行的同步串行外設(shè)接口（SPI），可與任何一種單片機(jī)方便接口，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED（或64只獨(dú)立LED），其引腳圖如圖217所示。圖217PS7219引腳圖圖218PS7219與單片機(jī)連接圖PS7219內(nèi)部具有158RAM功能控制寄存器，可方便選址，對(duì)每位數(shù)字可單獨(dú)控制、刷新、不需重寫(xiě)整個(gè)顯示器。顯示數(shù)字亮度可由數(shù)字進(jìn)行控制，每位具有閃爍使能控