毕业设计（论文）-基于MODBUS协议的模拟量采集卡的设计与实现.doc

基于modbus协议的模拟量采集卡本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目：基于modbus协议的模拟量采集卡的设计与实现姓 名： 学 院：信息科学与技术学院系：自动化系专 业：自动化年 级：2001级学 号：指导教师（校内）： 职称：讲师指导教师（校外）： 职称：2005年 6月 1日基于modbus协议的模拟量采集卡的设计与实现摘要 在工业现场中，常常需要进行各种数据采集与监测，并与上位控制中心进行数据交换。本文介绍了基于modbus通讯协议的模拟量采集卡的软硬件设计与制作。本采集卡可以通过软件分时采集8路模拟量信号，并可适应不同输入电压范围，在各种实际场合中很常见，是一种典型的数据采集卡。针对数据的远程通信，使用基于modbus协议的rs485总线通信方式。系统软件采用mcs-51汇编语言编写。关键词 单片机 模拟量采集 modbus 抗干扰35abstract in the industrial field, its often need to gather and monitor various kinds of data, and exchange data with master control center. this paper introduces the hardware and software design and the manufacture of the analog-data-acquisition card which is based on modbus protocol. this card provides 8 analog input channels that are independently software programmable for a variety of ranges, and it is very common in various kinds of actual situation, is one of typical data-acquisition card. to the long-distance communication of data, use the rs485 bus communication based on modbus protocol. the system software uses the mcs-51 assembly language compilation.key words: mcu analog-data-acquisition modbus anti-jamming目录引言5第一章 原理图的设计和pcb版布线81 系统总体设计82 绘制原理图93 pcb板布线104 本章小结11第二章 系统硬件组成121 at89c51单片机122 max197模数转换器122.1 max197性能介绍132.2 max197的使用方法152.3 at89c51单片机对max197的控制163 6n137光耦合器164 通讯接口175 其他186 本章小结20第三章 系统抗干扰措施211 光电耦合212 低通滤波223 供电系统干扰的抑制224 本章小结23第四章 系统的软件设计241 modbus协议简介242 模拟量采集子程序编写253 通讯部分程序框图274 本章小结29结论30致谢语31参考文献32附录 protel软件介绍331 软件简介332 使用方法介绍332.1原理图绘制342.2生成网络表342.3 pcb板布线34引言随着我国工业水平的提高，工业现场的测量控制越来越重要，测量的精度，数据的稳定性等指标均有了较大的提高。一个良好的数据采集卡能够为复杂环境下的数据采集带来很多便利。下面将着重介绍工业现场的一些特点，以及数据采集的相关信息。一、工业控制现场的特点随着科技的发展，危险而复杂的工业现场已经慢慢转变为较少人为干预的安全简单的操作环境，人们不需要进入工业现场，转而由机器自动控制，代替人们从事危险的工作。机器必须能实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必要的数据。对于不同的工业现场，其特点各不相同。化工方面，常常有危险的气体、液体，对人体有害。电气方面，常常表现为高电磁辐射、剧烈的温度变化、多种多样的噪声干扰。其他的还有燃气、污水处理、排污监控、水文监测、石油、冶金等行业的现场。基于以上的特点，就要求一个良好的数据采集卡必须具备以下的特点：现场测控功能强，性能稳定，可靠性高；测控点数多，测控精度高，测控速度快；使用寿命长，能够抵抗一定的物理、化学破坏；等等。二、数据采集人们在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物的量值，另一方面也要采用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果。因此测量和控制是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而数据采集则是测控仪器和系统实现任务的工具和手段。因此，数据采集就是利用计算机技术采集、记录、显示和分析生产现场的各种物理参量，以供生产管理人员和现场操作者参考的系统。数据采集技术是信息科学的重要分支，是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术的结合。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等转换为模拟或数字信号，再传送到计算机作进一步处理的这一过程，即“数据采集”。数据采集已在工农业、医药卫生、生态环保、航空航天、军事、气象等领域得到了广泛的应用。可以通过对信号的测量、处理、控制及管理，实现测、控、管的自动化与系统化。当前，数据采集与测控技术已是当代促进生产的一个主流环节，已广泛应用于电力、电子、冶金等行业。它从生产现场获取各种参数，运用科学规律和系统工程的作法综合有效地利用各种先进技术，使每个生产环节得到优化进而保证生产规范化，提高产品质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。随着计算机技术的发展，数据采集技术已进入我国的各种生产领域，并得到了迅速的发展。由此也形成了一门新的研究领域。数据采集涉及的内容十分广泛，它包含多方面，多层次的研究任务，可以归纳为基础理论研究、开发技术研究和生产应用研究三个主要方面。第一，数据采集技术的基础理论研究，是指对数据采集的概念、现象、对象、原理、本质和规律等基本问题的理论描述。概念是构成理论的基本要素，是对事物特征的概括性的表述。第二，数据采集开发技术的研究。数据采集技术的实施必须要根据生产实践的需要，以基础理论为指导，运用计算机科学技术的优势，开发适合于特定对象的数据采集系统。这就需要积极的开发和探索研究数据采集技术的有关理论和方法。当前数据采集的研究有：采集算法的研究、集成电路的研究、现场总线技术的研究、传感器技术的研究、抗干扰技术的研究等。第三，生产应用研究。数据采集的理论与技术，归根到底是要用于生产实践当中的。它的形成与发展固然与计算机科学技术的发展相联系，但如果没有运用科学的研究方法，开展生产实践活动，就无法揭示数据采集研究的本质规律，也只能停留在简单了解和肤浅的认识水平上，数据采集的理论与技术水平就不能提高并向前发展。三、模拟量采集的一般方法在工业生产过程中，被测参数，如温度、流量、压力、液位、速度等都是连续变化的量，称为模拟量。而单片机处理的数据只能是数字量，所以数据在进入单片机之前，必须把模拟量转换成数字量（也即a/d转换）。需要用到的主要器件有：多路开关、采样保持器、a/d转换器等，其中a/d转换器是核心部件。a/d转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位等，位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。就结构而言，有单一的a/d转换器（如adc0801、ad673等），有内含多路开关的a/d转换器（如adc0809、adc0816均带多路开关）。随着大规模集成电路的发展，又生产出多功能a/d转换芯片，ad363就是它的一种典型芯片。其内部具有16路多路开关、数据放大器、采样保持器及12位a/d转换器，其本身就已构成一个完整的数据采集系统。近年来，随着微型计算机的大量使用，出现了许多物美价廉的a/d转换器，如本采集卡所使用的由maxim公司生产的max197等。四、通讯方式的选择采集卡的上单片机并不能进行较为复杂的处理功能，在实际中需要通过上位控制中心使用电脑等强大的工具进行数据处理和显示。因此采集卡和主机的通讯显得尤为重要。而在工业现场的复杂环境中，可靠的通讯方式就决定了整个系统的稳定性。总线是信息传送的通道，是各部件之间的实际互联线。常用的接口总线有并行总线和串行总线两种。常见的串行总线有：本采集卡用到的modbus总线、can总线、rs232总线等。工业控制已从单机控制走向集散控制，如今已进入网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。modbus就是工业控制器的网络协议中的一种。modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。另一种常见的总线是can总线。can总线的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用can。在汽车的电子行业里，使用can连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1mbps。同时，可以将can安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，用以代替接线配线装置1。其他的总线及通讯方式这里就不做过多介绍，更多的信息可以查看文末的参考文献。第一章 原理图的设计和pcb版布线本章着重介绍本模拟量采集卡的总体思路和设计过程。首先给出本卡的硬件原理框图，然后通过protel软件进行原理图的设计及pcb板布线。1 系统总体设计本模拟量采集卡为12位模拟量采集系统，使用基于modbus协议的rs485总线通信方式，可以通过拨码开关来选择本卡地址以及波特率。本卡接收总线的数据并判断是否为本卡地址，如果是，继续接受数据并判断主机的命令，完成主机所要求的任务；如果不是，返回继续接收总线数据，循环判断。设计本模拟量采集卡大致上可以分为三个阶段：拟制系统方案、前期知识准备；选择元件、绘制电路原理图；硬件制作、软件调试、性能测定。以下对各阶段的工作内容和设计原则做一简要的叙述。一、拟制系统方案、前期知识准备首先根据模拟量输入的要求，制定具体计划，为接下去的工作做好准备。本模拟量采集卡的硬件主要分两部分, 分别完成数据采集和通讯的功能。本卡以单片机作为主体，采集的是模拟量信号，需要使用数模转换器，选择芯片型号是关键的一点。然后由于需要制作电路板，因此必须学习使用protel这个强大的软件。通过各种参考书及资料，掌握这个软件的使用方法。具体信息请见附录中的protel简介。二、选择元件、绘制电路原理图首先由需求选定合适的芯片。这里主要从：价格、参数要求、供求信息等方面决定元件的使用。对于系统的核心单片机，选用at89c51。对于数模转换的关键芯片，选用max197。通讯接口是采集卡的另外一个组成部分。选取max483作为rs-485通讯的收发器。并选用6n137作为输入输出隔离器。它们的具体性能参数请见第二章。然后确定系统的原理框图。系统设计的原理框图见下图，包括系统的主要部件：单片机max197数模转换芯片8路模拟量接口光电隔离rs-485总线接口rs-485总线处理芯片复位晶振拨码开关锁存器图1.1 系统原理框图接下来在充分熟悉protel的基础上，绘制此模拟量输入卡的电路原理图。系统原理说明：8位机械开关配合电阻电容网络形成数字量信号，通过74ls244锁存器将所需的控制信息写入单片机（这里用于设定传输速率）。8路模拟量首先经有源低通滤波器，以消除高次谐波和大部分高频噪声信号，减轻在进行谐波分析时出现的频谱混叠现象。然后通过光耦合器，接着通过max197数模转换后分2次将12位（8+4）数据送入单片机，然后通过max483将数据送出以及进行通讯。三、硬件制作、软件调试、性能测定使用protel进行pcb板布线，制作出pcb板，通过电脑使用单片机仿真器对设计所要求的全部功能进行测试和评价，以确定系统是否符合预定性能指标。若发现某一项功能或指标达不到要求时，则应相应变动硬件或修改软件，重新调试，直到满足要求为止。采集卡与主机的通信采用modbus协议。 modbus是应用于电子控制器上的一种通用语言。此协议定义了一个控制器能认识的消息结构, 而不管它是经过何种网络进行通信的。它描述了一种控制器请求访问其他设备的过程, 回应来自其他设备的请求, 以及怎样侦测错误并记录。在系统开发过程中，软件设计的工作量比较大，应尽量采用结构化设计和模块化方法编制程序，这对程序的修改和调试十分有利。2 绘制原理图原理图的绘制过程和方法这里不做赘述，需要指出的是，原理图中有几个芯片在protel的零件库中没有，需要自己画，见下表1.1：表1.1 新增元件元件max4838个并排的电阻光耦合器6n137元件图其绘制方法参见附录中的protel软件介绍。这些元件的封装都是常见的封装格式，在protel的封装库中已有，不需要自己制作。系统总体原理图见下图：图1.2 系统原理图3 pcb板布线pcb板布线的过程和方法这里同样不做赘述。其中覆铜用于隔绝噪声，对于焊盘补泪滴可以使焊盘更牢固。插口类的器件分布在pcb板的四周，单片机位于中央，容易发热的器件也得到了很合理的布置。pcb板布线图见下图1.3：图1.3 pcb板布线图4 本章小结本章对这个模拟量采集卡进行宏观介绍，并给出了protel原理图和pcb板的布线图。关于原理图的绘制过程和pcb板的布线过程和方法等这里不做详细介绍，在本论文的附录中带有protel软件介绍。第二章 系统硬件组成本模拟量采集卡的硬件主要分两部分, 分别完成数据采集和通讯的功能。具体分为：单片机、开关量参数输入模块、数模转换模块、modbus总线通讯模块、抗干扰模块（光电隔离、低通滤波）等。系统硬件框图请参见第一章第一节图1.1。图2.1 at59c51引脚图1 at89c51单片机该系列单片机是采用高性能的静态80c51设计。由先进cmos工艺制造并带有非易失性flash程序存储器。全部支持12时钟和6时钟操作。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式：空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结cpu，但ram、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存ram的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。图2.2 max197引脚图at89c51是80c51微控制器的派生器件，是采用先进cmos工艺制造的8位微控制器，指令系统与80c51完全相同。该器件有4组8位i/o口、3个16位定时/计数器、多中断源-4中断优先级-嵌套的中断结构、1个增强型uart、片内振荡器及时序电路。其引脚见图2.1。在本模拟量采集卡中，at89c51和数模转换器的连接参见2.3节。2 max197模数转换器按照本模拟量采集卡的设计要求，模数(a/d)转换芯片的选择既要有适当的精度，还要有尽可能高的集成度和转换速度，同时也要考虑到芯片的性价比。经过综合考虑，选用maxim（美信）公司的12位das(data-acquisition system数据采集系统）max197接口芯片。它的引脚见图2.2。它和cpu的接口电路如图2.3所示。max197是一种多路输入、多量程(10v，5v，+10v，+5v)、单电源供电（+5v）、分辨率为12位、8+4总线接口、转换时间6us的逐次渐进式数据采集系统。它不仅能提供8路模拟输入通道，还能对不同模拟输入电压进行编程，从而大大扩大它的动态范围（14位）。它有标准的微机接口。三态数据i/o口用作8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与ttl/cmos电平兼容。另外，该芯片还具有故障变换保护电路（对输入多路转换器），当任何通道上发生故障时，并不影响选择通道的转换结果。使用片内电压，在refadj与ref端分别获得精度为1.5%电压2.5v和4.096v。其中4.096v是通过片内缓冲器放大输出2。2.1 max197性能介绍max197具有如下特点3： 12位分辨率，1/2lsb线性度 单+5v操作供电 软件可选的输入范围：10v，5v，0v至10v，0v至5v 故障变换保护电路（对输入多路转换器）(16.5v) 8 路模拟输入通道 6s转换时间，100ksps采样频率 内部或外部采集模式 内部4.096v或外部基准电压 两种掉电模式 内部或外部时钟max197的引脚定义如表2.1所示：表2.1 max197引脚定义引脚名称功能1clk时钟输入。在外部时钟模式，用一个ttl/cmos适合的时钟驱动clk。在内部时钟模式，从此引脚到地之间放一个电容来设置内部时钟频率。典型例子：电容cclk = 100pf时fclk = 1.56mhz2片选，低电平有效。3当为低电平时，在内部采集模式，的一个上升沿锁存控制字，然后开始采样及一个转换周期。当为低电平时，在外部采集模式，第一个的上升沿使采样保持器开始采样，然后的第二个上升沿（这时acqmod=o）使采样保持器进入保持期并开始一个转换周期。4如果为低电平，的一个下降沿将允许数据总线的一个读操作。5hben用来扩充至12位转换结果。为高电平时，4 msbs被扩充至数据总线；为低电平时，8 lsbs在数据总线上可用。6关闭。低电平时将设备转换到完全掉电(fullpd)的模式。710d7d4三态数字i/o接口。11d3/d11三态数字i/o接口。d3输出(hben为低电平)，d11输出(hben为高电平)。12d2/d10三态数字i/o接口。d2输出(hben为低电平)，d10输出(hben为高电平)。13d1/d9三态数字i/o接口。d1输出(hben为低电平)，d9输出(hben为高电平)。14d0/d8三态数字i/o接口。d0输出(hben为低电平)，d8输出(hben为高电平)。d0为lsb。15agnd模拟地。1623ch0ch7模拟量输入通道。24转换结束时变为低电平，输出的数据准备就绪。25refadj带隙基准电压输出/外部调整引脚。通过一个0.01f的电容接到模拟地。当在ref引脚使用外部基准时，连接到vdd。26ref缓冲器基准电压输出/adc基准输入。在内部基准电压模式，基准缓冲器提供一个4.096v的标准输出电压，在refadj外部可微调。在外部基准模式，通过将refadj接到vdd来禁用内部缓冲。27vdd+5v电源，经0.1f电容到模拟地。28dgnd数字地。max197的工作模式由控制字决定，控制字格式如下：表2.2 控制字格式d7(msb)d6d5d4d3d2d1d0 (lsb)pd1pd0acqmodrngbipa2a1a0位名称描述7, 6pd1, pd0这两位选择时钟和电源关闭模式（见表：2.4）5acqmod0为内部采集模式（6时钟循环）；1为外部采集模式4rng选择输入的全部电压范围（full-scale voltage magnitude）。（见表：2.3）3bip选择单极或双极转换模式（见表：2.3）2、1、0a2, a1, a0这3位是输入模拟量的地址位以选择打开的通道（见表：2.5）范围和极性选择：表2.3 范围和极性选择biprng输入范围（伏）000至5010至101051110时钟和电源关闭模式选择： 表2.4 时钟和电源关闭模式选择pd1pd0设备模式00正常操作；外部时钟模式01正常操作；内部时钟模式10待机电源关闭模式(stbypd)；不影响时钟模式11全部电源关闭模式(fullpd)；不影响时钟模式模拟量输入通道选择：表2.5 通道选择a2a1a0ch0ch1ch2ch3ch4ch5ch6ch7000001010011100101110111数据总线输出：表2.6 数据总线引脚hben为低电平hben为高电平d0b0 (lsb)b8d1b1b9d2b2b10d3b3b11 (msb)d4b4b11 (bip = 1) / 0 (bip = 0)d5b5b11 (bip = 1) / 0 (bip = 0)d6b6b11 (bip = 1) / 0 (bip = 0)d7b7b11 (bip = 1) / 0 (bip = 0)2.2 max197的使用方法当开始写操作时，转换就开始了。写入控制字操作将选择多路通道，并确定max197的输入范围是单极性还是双极性。一个写脉冲(+)可以开始一次采集，或者对采样进行初始化并开始转换。采样结束时，产生一次中断。写入控制字节的acqmod位对于采集方式提供两种选择：内部或外部。对任何时钟模式和采集模式，转换间隔都延时12个时钟周期。若在转换周期写一个新的控制字节将使转换失效,并启动一次新的采集过程。基于max197芯片的数据采集系统有以下两种采样模式：1、外部采集模式采用外部采集方式可以更精确地控制采样间隔和转换。max197有8路模拟量输入通道，每个通道在外部设一个采样保持器，以保证各参数均在同一时刻采样。8个模拟量参数经过多路开关，分时的接通送入max197的通道1或选用其他通道。用户通过2个脉冲控制采集和启动转换。在第一个写脉冲中，要使acqmod位=1，它将启动一次采集。在第二个写脉冲中，要使acqmod位=0，在的上升沿结束采集并开始转换。在发第一和第二个写脉冲时，多路输入通道的地址位值必须一样。在第二个写脉冲中，低功耗模式位(pd0、pd1)可以设一个新值。2、内部采集模式如果被测电压信号符合max197芯片的输入电压范围，并且被测电压信号不需要放大，则可直接输入，采用内部采集模式，以提高整个信号处理的通过率。当外接2mhz时钟频率时，可获得100ksps的通过率。通过写控制字节的acqmod位为0，选择内部采集方式。此方式产生一个脉冲初始化采集间隔，这个时间是内部定时的。当6个时钟周期采集间隔(在fclk=2mhz时为3s)结束时，转换开始。当转换结束产生一个正确的结果时，芯片发出一个标准的中断信号给单片机。在第一个读周期或者写一个新控制字节时，就变为高电平。2.3 at89c51单片机对max197的控制at89c51单片机对max197的控制如图2.3所示：单片机的p0口作为数据总线和max197的ad0ad7连接，用来向max197写入控制字以及读取转换结果。单片机的p1.2连接至max197的hben，用来选择低8位和高4位。max197的中断输出连接至单片机的，用来传递中断信号。max197的接至高电平，使其工作在正常的方式。读写的控制信号、对应连接。max197的片选信号由3-8译码器提供。max197的refadj、ref、clk等引脚如图所示连接。单片机p00 p07p12max197ad0 ch0 ad7 ch7 hben refadj ref clk模拟量输入vcc220p0.014.7图2.3 单片机和max197的连接3 6n137光耦合器12345678图2.4 6n137结构原理图6n137用于需要在输入和输出之间进行高电压隔离的高速数字接口上。它的应用包括线性接收器，微处理器或计算机接口，由浮动电源供应的数字编程及其他控制系统。6n137的结构原理如图2.4所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二级管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高电平时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接受电路加上拉电阻或电压调整电路4。电路中6n137的接法如下图所示5：图2.5 6n137在系统中的接法图2.6 max483引脚图4 通讯接口通讯接口的硬件设计即实现rs-485网络的物理层。单片机串口为ttl电平，需要通过电平转换芯片转换成rs-485标准的电平。转换芯片可选型号很多，这里选用max483，其引脚图见图2.6，在电路原理图中的接法见下图2.7。在in、out、out1端连接光电耦合器，以防止单片机上电时对rs-485总线的干扰以及工业现场通过总线引入的各种干扰。图2.7 通讯部分接口max481、max483、max485、max487max491以及max1487是用于rs-485与rs-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。max483、max487、max488以及max489具有限摆率驱动器，可以减小电磁干扰（emi），并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250kbps的无差错数据传输。max481、max485、max490、max491、max1487的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5mbps的传输速率。max483为半双工应用设计，具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。下表2.7为max483的引脚真值表。表2.7 max483引脚定义，x = 无关；high-z = 高阻；* max483的关闭模式发送： 接收：输入输出dedizyx1101x101000xhigh-zhigh-z10xhigh-z*high-z*输入输出dea-bro00 +0.2v100b 200mv，则ro为高电平；若ab 200mv，则ro为低电平。接收器输出使能。当为低电平时，ro有效；当为高电平时，ro为高阻状态。de驱动器输出使能。de变为高电平时，驱动器输出y与z有效；当de为低电平时，驱动器输出为高阻状态。当驱动器输出有效时，器件被用作线驱动器。而高阻状态下，若为低电平，则器件被用作线接收器。di驱动器输入。di上的低电平强制输出y为低电平，而输出z为高电平。同理，di上的高电平强制输出y为高电平，而输出z为低电平。gnd地。a接收器同相输入端和驱动器同相输出端。b接收器反相输入端和驱动器反相输出端。vcc正电源：4.75vvcc5.25v低功耗关断模式高电平、de低电平使器件进入低功耗关断模式。驱动器与接收器都被禁用时，器件才进入关断模式。关断模式下，器件吸取电源电流的典型值为0.1a。可以同时驱动和de；只要为高电平且de为低电平的持续时间小于50ns，可以确保这些器件不会进入关断模式。若两个输入端维持这种状态至少600ns，则可确保这些器件进入关断模式。对于max483，tzh与tzl使能期间假定器件并未处于低功耗关断状态。在tzh(shdn)与tzl(shdn)使能期间假定器件已被关断。在低功耗关断状态下激活驱动器和接收器(tzh(shdn)，tzl(shdn) 要比在工作模式下激活驱动器和接收器( tzh，tzl) 需要更长的时间。( 若、de输入等于逻辑0、1，或1、1，或0、0，则这些器件处于工作模式)5 其他本采集卡还具有其他接口、芯片。例如3-8译码器、各种插口、多路开关等。下面进行简要介绍。一、信号端子包括模拟量输入用的2个插口、电源插口、rs485总线及电源端子（包括一总线终端匹配电阻跳线）。2个模拟量输入插口是为了适应各种不同测量仪表的接口。电源插口分为2路电源供电，这是为了抗干扰，请参考第三章图3.2。这类部件基本上仅用于插接，不含任何电气特性。在rs-485接口电路的硬件设计中，需要考虑总线匹配的问题，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声。采用max483作为接口时可以不加终端匹配。当考虑终端匹配时，有多种匹配方案可以选择，最简单的是在总线两端各接一个阻值等于电缆特性阻抗的电阻。大多数双绞线特性阻抗大约在100至120之间。这种方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大电流，对于功耗限制比较严格的系统不太合适 ,另外一种比较省电的匹配方案是rc匹配，利用一个电容隔断直流成分可以节省大部分功率，但电容的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方案，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的。在本采集卡中使用电阻匹配方案，通过跳线在位于总线两端的差分端口之间跨接120匹配电阻。设置如下：on： 端口接入终端匹配电阻（阻值120欧）；off：端口取消终端匹配电阻二、3-8译码器这块3-8译码器用于片选，可以选通74ls244锁存器和max197数模转换器。采用常见的74hc138，其引脚信号真值表如下表2.9所示6：表2.9 74hc138译码器真值表输入输出使能选择g1*cbay0y1y2y3y4y5y6y7x1xxx111111110xxxx1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110注：*=g2a+g2b。x=无关三、开关量输入模块分为2个部分：首先8位拨码开关配合电阻电容网络形成数字量信号，然后通过74ls244锁存器将所需的控制信息写入单片机（这里用于地址及波特率选择），同时也可以用来调试。设定的传输速率见表：2.10。设定的信息在通讯程序中进行处理，可以更改通讯数据的传输速度。表2.10 传输速率设定jp7jp8bpsoffoff2400offon4800onoff9600onon19200四、模拟量输入抗干扰模块分为3个部分：光电隔离、低通滤波器、多路开关。其中光电隔离使用和通讯用光电隔离相同的芯片，即6n137。低通滤波器使用max293，第三章第二节有更详细的信息。8位多路开关用于将8路模拟量共用1路光电隔离和低通滤波。6 本章小结本章分几个部分介绍了系统的硬件组成，其中主要部分进行了详细的说明，而一些常见的部分则较为简略。在所有的芯片中，数模转换器max197无疑是最关键的芯片，它是整个采集卡的核心，采集卡的性能、稳定性均取决于这块芯片，采集部分程序的设计也以这块芯片为主体。各芯片的连接方式通过图片中的引脚网络标号来表示，也可以参考第一章第一节的图1.1。第三章 系统抗干扰措施在数据采集的通信通道和硬件电路中总难免串入这样或那样的随机干扰，从而使采集到的数据中存在误差，这种因随机干扰而引入的误差称为随机误差。而在工业现场中，各种干扰尤为严重，需要处理的信号既有微弱到毫伏级的小信号，又有数十伏的大信号；从频率上讲，有直流低频范围的，也有高频/脉冲尖峰。在检测系统中造成干扰会使测量指示产生误差；在控制系统中造成干扰可能导致误操作，因此为使测控系统正确操作必须研究抗干扰技术。对于一个控制系统，抗干扰设计可以从两个方面来进行，一是采取硬件措施抗干扰，另外还可采取软件措施抗干扰，绝大多数情况下，这两方面的措施应该同时进行。硬件抗干扰技术通常包括接地技术、屏蔽技术、长线传输的抑制技术、共模和差模干扰的抑制技术、供电系统的抗干扰技术、印刷电路板抗干扰技术等。本装置在硬件电路设计时采取了多种抗干扰措施，主要体现在：(1) 输入输出通道进行光电隔离。(2) 输入通道经过低通滤波。(3) 电源供电部分可靠接地、滤波和退耦。(4) 合理布置印刷电路板上的器件和配线（包括用于隔绝噪声的覆铜和使焊盘更牢固的补泪滴）。下面分别加以叙述。1 光电耦合光电耦合器是电子线路中隔离电压冲击及噪声串扰的优选器件，具有体积小、隔离效果好、价格便宜、便于安装等特点。本采集卡在模拟量的输入通道采用了光电耦合器6n137，其具体性能及介绍请参考上一章的第3节。光电耦合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使过程通道的信噪比大大提高。其原因如下：(1)光电耦合器的阻抗很小，一般为100欧到1000欧之间，而干扰源的内阻却很大，通常为105108欧，因此干扰源在光电耦合器输入端的分压很小。(2)干扰噪声虽有较大的电压幅值，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输人部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰有很高的电压幅值，但由于它不能给发光二极管提供足够的工作电流从而能够被抑制掉。(3)光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路光耦合的，故不会受到外界光的干扰。(4)光电耦合器输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般只有0.52pf，而且绝缘电阻很大，通常为10111012欧，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边。2 低通滤波图3.1 max293芯片引脚由于在工业现场中经常伴随着各种频率的噪声干扰，对于所需采集的模拟量会产生很大的影响。根据所采集模拟量的频率范围可以选择合适的滤波器，通常情况下选择的是低通滤波器，以消除高次谐波和大部分高频噪声信号，减轻在进行谐波分析时出现的频谱混叠现象。常见的低通滤波器是采用分立元件组成的，在本采集卡中使用由maxim公司生产的集成开关电容滤波器max293。用它组成的电路具有性能好、电路简单等优点。max293 是一种具有八阶椭圆低通滤波特性的单片开关电容滤波集成电路，由于开关电容滤波器中的开关电容组在时钟频率的驱动下，可以等效成一个和时钟频率有关的等效电阻r=1/fcc。式中c为开关电容组的电容，fc为该滤波的时钟频率。当用外部时钟改变fc时，等效电阻r改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了该低通滤波器的通频带。它的截止频率可调范围为0.125khz。该滤波器与同样阶数的butterworth、bessel、chebyshev滤波器比较，具有最陡的衰减沿，达到-160db/oct，趋近于理想低通滤波器。而椭圆滤波器在通带中的幅频特性具有均匀纹波，可达到0.12db，相对幅度变化在1%左右，在信号分析中是可以接受的。3 供电系统干扰的抑制图3.2 系统供电部分在实际电子系统中通常需要直流稳压电源向系统供电，考虑到工业现场里比较大的和不可预期的干扰，除了光隔离器外，不同功能部分之间常常采用独立的直流电源供电。在本模拟量采集卡中，使用vdd、vcc两路直流电源供电，如图3.2：理想电源应是一个内阻抗等于零的电源，但是实际电源并非如此，因此通过电源内阻将造成各元件和组件间的耦合，形成干扰源，有时甚至造成低频振荡。解决的办法是在电源输入端除并联较大的电解电容外，还要并联0.01uf0.47uf的高频电容，在各集成电路芯片的电源和地线间并联0.01uf0.47uf的去耦电容，从而可以使某个信号频谱的公共阻抗大大减少，避免了耦合噪声。在本采集卡拨码开关的电源处和各个芯片的电源引脚即使用这种方法，参见图3.3图3.3 去耦电容在本模拟量采集卡的电源输入端，采用lc滤波，如下图3.4所示：图3.4 电源滤波控制系统中地线的设计很重要，这主要因为：(1)各级电流流过一个公共地时会产生干扰电压。(2)多点接地形成的环路易使电路受外界电磁场干扰和地电位的影响。良好而准确的接地可以消除或至少可以降低各种形式的干扰，从而能保证电子设备可靠而稳定地工作。根据频率的高低，可将地线接法分为“多点接地”和“一点接地”。频率低于1m hz时采用一点接地。一点接地有并联一点接地和串联一点接地之分，采用并联一点接地较为理想，这种接地方式可使各电路的电流流经导线时所产生的压降互不影响，不会产生干扰，但这种接地方式实现起来非常麻烦，在较复杂的系统中尤其如此。串联一点接地引线较少，简便易行，是工业控制系统中常用的一种接地方式。但这种接地方式中各电路的电流要流经一个公共阻抗，所产生的压降可对各电路造成不同的干扰。由于不能为各电路提供等地电位，所以在实用中对数字地、模拟地、交流电源地、驱动电源地，都采用浮地形式，相互不共地，数字地与模拟地在适当的位置处短接，这样可以有效地防止地线干扰，保证控制系统正常工作，同时防止交流电源通过地线对驱动电源产生干扰，保证驱动电源的稳定。4 本章小结本章结合第二章的内容介绍了这块模拟量采集卡的抗干扰措施，主要介绍干扰产生的原因并以本卡为例说明解决方法。在实际应用中，本卡的几种主要抗干扰措施（如光电隔离、电源滤波等）均取得了不错的效果，达到了设计的要求。第四章 系统的软件设计本章介绍的是在本模拟量采集卡中单片机的程序编写，调试时采用仿真器将汇编程序写入单片机中。对于modbus协议，本章进行简要介绍，相关的通信服务程序给出程序框图。系统软件主要包括三大部分: 模拟量采集子程序、中断服务程序、通信服务程序等。这里主要介绍模拟量采集子程序和中断服务程序。下面分节进行表述。1 modbus协议简介modbus协议是modicon公司为其生产的plc设计的一种通信协议，从功能上看，属于一种设备级的现场总线通信协议，它定义了消息域格式和内容的公共格式，使控制器能认识和使用消息结构，而无需考虑通信网络的拓扑结构，通信速率可达1mb/s。它描述了一个控制器访问其它设备的过程，当采用modbus协议通信时，此协议规定每个控制器需要知道自己的设备地址，识别按地址发来的消息，如何响应来自其它设备的请求，如何侦测错误并记录。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用modbus协议发出。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。modbus协议是一个仅有物理层和数据链路层的现场总线协议，特别适合结构简单、成本低的应用场合。modbus协议的物理层采用半双工的rs-485作为通信接口标准。rs-485标准要求总线采用二线差分电平发送与接收，无公共地线。这种通道能有效克服共模干扰，抑制线路噪声，传输距离可长达1.2km。在半双工模式下，最高数据传输速率可达10mb/s。1、通信过程当主机发送