基于單片機通信網(wǎng)絡(luò )的分布式數據采集與控制系統的實(shí)現

在生產(chǎn)酸酐的小型控制現場(chǎng)中，需要對各反應釜的溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測，并使它們保持在規定的誤差范圍內。由于需要控制的設備較多、相互距離又較遠，且現場(chǎng)有較強的工業(yè)干擾，因此采用體積小、抗干擾能力強的單片機作為上位機與現場(chǎng)控制器來(lái)組成分布式數據采集與控制系統。在該系統中，上位機與現場(chǎng)控制器之間采用通信網(wǎng)絡(luò )連接，各測控單元獨立工作，完成參數的測量與控制；而在主控室內，由主機對各現場(chǎng)測控器的工作狀態(tài)進(jìn)行監測，向各分機發(fā)送控制命令以及對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數據進(jìn)行統一的顯示、儲存等。在本系統中采用主從式RS-485串行通信標準。

1單片機通信網(wǎng)絡(luò )

RS-485串行總線(xiàn)接口標準以差分平衡方式傳播信號，在發(fā)送端驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出，在接受端接收器將差分信號還原成TTL信號，這樣具有很強的抗共模干擾的能力，同時(shí)接收靈敏度也很高；在傳輸數據速度達100 kb/s時(shí)通信距離可達1200 m；允許一對雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備，設備簡(jiǎn)單、成本低和維護方便。因此，工業(yè)現場(chǎng)控制系統中一般都采用該總線(xiàn)標準進(jìn)行數據傳輸。

在該通信系統中，在主機的控制下，通過(guò)軟件協(xié)議，主從機間可互相通信。并且在一個(gè)多機通信系統中，只有一臺單機作為主機，各臺從機間不能相互通信，即使有信息交換也必須通過(guò)主機轉發(fā)。各單片機間通過(guò)RS-485總線(xiàn)通信，主機通過(guò)點(diǎn)名方式給各從機發(fā)送命令，實(shí)現對系統的主控權。主機在執行任務(wù)的同時(shí)要對從機不斷地輪詢(xún)，從而監視從機的狀況、接收從機的請求或給從機發(fā)送命令。

通信系統總體結構如圖1所示。

各測控器中選用的RS-485通信收發(fā)器芯片為MAX481，使用單片機的一個(gè)I/O口（P1.7）控制通信收發(fā)器MAX481的工作狀態(tài)。為了提高系統的抗干擾能力，各通信子系統使用了光電隔離器件6N137。
　

為了保證正常傳輸信號干凈、無(wú)毛刺，在總線(xiàn)末端接一個(gè)120 Ω的匹配電阻吸收總線(xiàn)上的反射信號。電纜使用雙芯屏蔽電纜，屏蔽端連接設備機殼。為了避免干擾，每個(gè)設備都應接地。

2主控制器設計

主控制器通過(guò)串行通信接口實(shí)現對各現場(chǎng)控制器的直接控制，主要用于實(shí)現人-機對話(huà)功能。由于該系統實(shí)時(shí)性要求不是很高，為了減少線(xiàn)路板的面積和減少占用單片機的口線(xiàn)，選用體積小、管腳少、可以串行輸入/輸出的芯片。

主機選用8051單片機。因為主機要完成數據儲存，并要求具有掉電保護的功能，所以8051需要擴展外存。串行EEPROM以其體積小、功耗低、價(jià)格低廉、高可靠性、連線(xiàn)簡(jiǎn)單等顯著(zhù)優(yōu)勢，逐漸被用于多功能的對速度要求不太高的智能儀器儀表中。在本系統中，選用24系列的串行EEPROM 24C64。因P0口內部沒(méi)有上拉電阻，故作I/O口使用時(shí)外加10 kΩ的上拉電阻。

鍵盤(pán)采用中斷掃描工作方式。當有鍵按下時(shí)INT0為低電平，向CPU發(fā)中斷申請，進(jìn)入鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序進(jìn)行按鍵識別及相應功能程序的執行。采用串行口靜態(tài)驅動(dòng)方式，使用74LS164串行輸入、并行輸出8位移位寄存器作為段選碼驅動(dòng)器，每個(gè)數碼管使用一片74LS164，把4片串聯(lián)起來(lái)，便構成一個(gè)4位的 LED顯示器。

各串行件都用軟件編程實(shí)現時(shí)鐘及數據的傳遞。

主控制器的硬件電路如圖2所示。

3現場(chǎng)控制器設計

每臺現場(chǎng)控制器是各自獨立的系統，接收（溫度或壓力）傳感器輸出的模擬信號，和工藝要求的參數相比較，從而得出該路信號修正量的大小。輸出的模擬信號作為電磁閥的輸入信號來(lái)控制流量（氣體或水蒸氣）的大小，從而達到對溫度或壓力的控制。圖3是它的硬件電路。

單片機選用20腳的AT89C2051。AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一種高性能單片機，價(jià)格低廉、與Intel公司生產(chǎn)的MCS 51單片機高度兼容。AT89C2051將多功能8位CPU和2 kB閃爍存儲器集成在1塊芯片上，對輸出口進(jìn)行了簡(jiǎn)化，形成了一種僅有20個(gè)引腳的單片機，在功能上相當于Intel公司的8031最小應用系統。

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具有串行輸入輸出的A/D轉換芯片由于接線(xiàn)簡(jiǎn)單，傳輸距離遠，在工業(yè)測控系統中得到廣泛應用。ADC0832是帶有串行輸入輸出8位逐次逼近式模數轉換器，它的模數轉換過(guò)程與數據輸出過(guò)程都是在外部時(shí)鐘脈沖的控制下進(jìn)行的，故模數轉換速度比較低，但可以滿(mǎn)足本系統的要求。在該系統中將DI固定接高電平，這樣由DI端輸入的控制字為“111”，這樣AD0832的CH1為單端輸入工作方式，CH0不工作。

同樣，對于D/A轉換也使用具有串行輸入輸出的轉換芯片。TCL5615為美國德州儀器公司的產(chǎn)品，是具有串行接口的數模轉換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的2倍。帶有上電復位功能，上電時(shí)把DAC寄存器復位至全零。ADC0832和TCL5615的時(shí)鐘和數據的傳遞用軟件編程來(lái)實(shí)現。

4通信軟件設計

系統通信軟件有主控制器（主機）通信軟件和現場(chǎng)控制器（從機）通信軟件組成。由于現場(chǎng)控制器還要完成信號的監測和控制，所以為了提高工作效率，在主從機發(fā)送和接收過(guò)程中，都采用中斷控制方式。

4.1主機通信軟件設計

主機的通信功能主要包括呼叫各從機，并向各從機發(fā)送控制命令。當主機要發(fā)送數據時(shí)，先調用相應的子程序，完成發(fā)送數據前的初始化、參數預置以及和從機接通聯(lián)系的工作，真正的發(fā)送數據安排在中斷服務(wù)程序中。主程序在調用完后，繼續干自己的工作，以后只需檢查設定的標志位的狀態(tài)就可知道數據是否發(fā)完。

4.2從機通信軟件設計

從機平時(shí)對監控對象進(jìn)行數據的采集和控制，當有串行中斷時(shí)，執行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本分機的地址信息，若是本機的地址，轉為接收控制命令，并執行相應的操作：若不是本機地址，則退出中斷。

通信軟件的流程圖如圖4所示。

5結語(yǔ)

分布式的數據采集系統，由各個(gè)從機完成參數測量及控制任務(wù)，不但能代替模擬儀表完成常規的過(guò)程控制，并且能進(jìn)行復雜算式運算和順序控制，在現場(chǎng)對輸入、輸出數據進(jìn)行處理，減少了信息傳輸量，降低了對上級計算機的要求；主機通過(guò)數據通道，直接與過(guò)程相聯(lián)結，完成生產(chǎn)計劃、管理、決策的最優(yōu)化，從而實(shí)現了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)化自動(dòng)控制。對該系統進(jìn)行進(jìn)一步的完善和擴展，可以應用于多種集散式控制系統，實(shí)現多臺分布較遠設備的低成本、高可靠。

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