（机械工程专业论文）煤矿水文监测中传输控制单元的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国地域辽阔，地理情况较为复杂，随着科技的发展，对水文数据的监测也 相应的提高。由于g p r s 网络在我国覆盖广泛，应用较多，为水文数据的监测提 供了传输途径。为了采集不同深度的水文数据，需要一个控制单元将采集回来的 数据进行打包通过4 8 5 总线传送至g p r s 模块，g p r s 模块将数据通过网络传输到 数据主站中心。本文主要对处理器c 8 0 5 1 f 0 4 0 周期性激活、4 8 5 总线主从式网络、 低功耗等方面进行较为详细的论述。根据不同的功能单元分为数据采集和控制单 元和数据中心。 控制单元的供电电源采用的是两节锂电池供电，由于野外电源情况复杂，所 以要求用的芯片均具有低功耗特性。 控制单元与各个数据采集的变送器形成一个基于4 8 5 总线主从式的网络结 构。以c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心处理器芯片的控制单元进行不同地层的水位、温度、供 电电压三方面的数据采集。控制单元默认为接8 个变送器，每个变送器传回7 个b y t e 的数据( 包括校验) 。当数据采集完毕后，供数据中心设定周期或时间。 之后，控制单元进入休眠模式。控制单元连接有g p r s 模块，由于g p r s 模块耗电 量大且具有发射功能，所以对数据正确的传输有较大的影响。解决该问题主要采 用具有低功耗达的数字隔离器。 数据周期设定和更改主要是由外围低功耗芯片i s l l 2 0 8 控制的，i s l l 2 0 8 一 直处于运行状态，当达到相应的周期或时间，唤醒处理器芯片，使其进入正常运 行模式。c 8 0 5 1 f 0 4 0 得到数据中心传过来的数据后，通过i i c 总线向芯片i s l l 2 0 8 写入下一次激活的时间或更改运行时间。 控制单元可以用于电源稀缺的场合：煤矿水文监测。主从式网络通信在仿真 软件p r o t e u s 中仿真通过。数据传输、远程修改控制单元的时间或周期，在开发 板和制作的模块( i s l l 2 0 8 和4 8 5 接口) 中调试通过，实验结果满意。设计采用较 低的功耗芯片，使电源能够发挥较大的效能。变送器的主要程序在开发板中调试 通过。 关键字：水文，c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，4 8 5 ，数据采集 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r yr e g i o ni sv a s ta n dg e o g r a p h i c a ls i t u a t i o ni sc o m p l i c a t e d w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n gd a t ao ft h eh y d r o l o g y n e e dt ob ei m p r o v e da c c o r d i n g l y i no u rc o u n t r yt h eg p r sn e t w o r ki sw i d e l yc o v e r e d ， t h em o n i t o r i n go fh y d r o l o g yd a t ac a nb et r a n s m i t t e dt h r o u g ht h eg r p s i no r d e rt o g a t h e rd i f f e r e n td e p t ho f s t r e s s e dd a t a , w en e e dac o n t r o lu n i tw h i c hc a ng a t h e rt h e d a t u mf r o mt r a n s m i t t e ra n dt r a n s m i tt h o s ed a t at h r o u g hg p r sm o d u l et ot h eh o s td a t a c e n t e r i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ri sm a i n l yd i s c u s s e sc 8 0 51f 0 4 0p e r i o d i ca c t i v a t i o n , 4 8 5b u sm a s t e r - s l a v en e t w o r k s ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a n dp u ti n t of u r t h e r u t i l i z a t i o ni nt h ec o a l m i n i n gi n d u s t r yi nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n a lu n i t ，i ti sd i v i d e di n t od a t aa c q u i s i t i o n 、 c o n t r o lu n i ta n dt h ed a t ac e n t e r t h ec o n t r o lu n i to f p r o c e s s i n gc h i pi sc 8 0 5 1f 0 4 0 w h i c hp r o d u c e db ys i l i c o nl a b sc o m p a n y , t h i sc h i pi sb a s e do nt h ec o r e51 ，w h i c hh a s t h er i c hp e r i p h e r a l s 、i n t e r n a lf u n c t i o nm o d u l ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n t r o lu n i to fp o w e rs u p p l i e db yt h et w ol i t h i u mb a t t e r y , b e c a u s et h ep o w e r s u p p l yi sv a l u a b l eo u t s i d e ，s or e q u i r e da l lo f t h ec h i p 谢mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w p o w e rc o n s u m p t i o n t h ec o n t r o lu n i ta n da l ld a t aa c q u i s i t i o nt r a n s m i t t e rf o r mam a s t e r - s l a v en e t w o r k s t r u c t u r ew h i c hb a s e do nt h e4 8 5b u s t h ec 8 0 51f 0 4 0 p r o c e s s o ro ft h ec o n t r o lo f t h ec h i pu n i tg a t h e rt h ed a t u mw h i c hc o n t a i nw a t e rl e v e l ，t e m p e r a t u r e ，t h ev o l t a g eo f t h ep o w e rf o r ma l lt h et r a n s m i t t e r t h ec o n t r o lu n i tc o n n e c tw i t he i g h tt r a n s m i t t e rb yd e f a u l t ，e a c ht r a n s m i t t e r r e t u r n e d8b y t ei n c l u d i n gc h e c k i n gb y t e w h e nd a t aa c q u i s i t i o ni sc o m p l e t e d ，t h e c o n t r o lu n i tn e e dw a i t15s e c o n d sf o rt h ed a t aw h i c ht r a n s m i tf r o mt h ed a t ac e n t e r a f t e rt h a tt h ec o n t r o lu n i tg e ti n t os l e e pm o d e t h ec o n t r o lu n i ta r ea l s oc o n n e c t e dw i t h g p r sm o d u l e ，t h eg p r sc o n s u m e de n e r g ya n dh a sp o w e ro fl a u n c hf u n c t i o n , t h o s e t w of a c t o r sh a sa m a j o ri n f l u e n c eo n t h ed a t ao ft r a n s m i s s i o nc o r r e c t l y t h e c o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r eu s et h ed i g i t a li s o l a t i o nd e v i c et oe n s u r et h a tt h ed a t a s e c u r i t y d a t ac y c l es e t t i n g sa n dc h a n g e si sm a i n l yc o n t r o lb yt h ep e r i p h e r a ll o wp o w e r c o n s u m p t i o nc h i pi s l12 0 8 ，i s l 12 0 8h a sb e e ni no p e r a t i o ns t a t e w h e nt h er t c c o r r e s p o n d i n gt h ep e r i o do rt i m e ，i s l 12 0 8w a k eu pt h ec p u c h i pa n dm a k ei ti n t o i i 武汉理工大学硕士学位论文 n o r m a lo p e r a t i n gm o d e a f t e rg e t t i n gt h ed a t af r o md a t ac e n t e r , c 8 0 51f 0 4 0w r i t et h e n e x tr u n n i n gt i m ei n t oi s l12 0 8c h i pt h r o u g ht h ei i cb u s t h ec o n t r o lu n i tc a l lb e u s e df o rt h ep o w e ro f s c a r c i t ys i t u a t i o n ：c o a lm i n e h y d r o l o g i c a lt e s t i n g m a s t e r - s l a v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nw a sd e b u g g i n gt h r o u g hi n t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fp r o t e u s d a t at r a n s m i s s i o na n dt h er e m o t ec o n t r o lu n i to f t i m eo rc y c l ew a sd e b u g g i n gt h r o u g hi nt h ed e v e l o p m e n tb o a r d 、i t l lt h ep r o d u c t i o no f m o d u l e ( i s l 12 0 8a n d4 8 5i n t e r f a c e ) ，e x p e r i m e n to ft h er e s u l t sw a ss a t i s f a c t o r y u s i n g t h el o w e rp o w e rc o n s u m p t i o nc h i pc a nm a k et h ep o w e r p l a y i n gag r e a t e re f f i c i e n c y t h em a i np r o g r a mo ft h et r a n s m i t t e rd e b u gi nt h ed e v e l o p m e n tb o a r d k e yw o r d ：h y d r o l o g y , c 8 0 51 f 0 4 0 ，4 8 5 ，d a t ac o l l e c t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国地域面积较大，地势呈现西高东低，地质情况较为复杂。水文监测系统 在快速发展的计算机技术的支持下，得到了长足的进步。水文监测数据能为预防 地质灾害提供有利得数据支持，能为很多工程项目提供可行性决策的数据n 】，同 样水文监测系统在煤矿的安全生产中也起到了不可忽视的作用。主要方面表现 为：远程监视，及时实现报警预警，预防灾害发生，保障人员和设备物资的安全， 把自然灾害降低到较小的范围之内。为了保障监视准确，有效的控制方法保证数 据正确有效的传输便显得尤为重要。 目前国内引用无线传输技术较为广泛，较为突出的是g p r s 即通用分组无线 业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) ，全国所有省、直辖市、自治区，2 4 0 多个城市得到了有效的覆盖【3 引。其价格低廉，而且通过移动网很容易地实现数 据的无线传输。而水文监测可能在很多复杂的地理环境中进行，传统的有线通信 方式就显得很难满足数据有效传输的要求。g p r s 无线传输这一方案刚好满足了 水文监测这一特点。 在我国，由于地质情况比较复杂，为了保障生产安全，需要各种数据支持， 然而水文监测监控技术在我国实际应用较晚。2 0 世纪8 0 年代初，先后和英国和 美国等一些国家进行一些技术上的交流，引进了一批安全监控系统。在结合国内 实际地质情况的基础之上，自行研制了一批水文监控系统，使我国的监测技术更 进了一步。目前我国地质监测中使用的各类监测监控系统种类较多，应用于很多 行业，为改善生产安全状况，提高工作效率和现代化水平起了一定的作用。 水文监测系统一般由中心主站组成和若干个野外监测站。野外监测站周期性 进行监测并保证数据进行有效采集和发送；中心主站则进行数据接收和处理以 及提供良好的可视化界面。野外监测站和中心主站的数据传递则通过无线模块进 行数据的传送。水文监测系统的工作方式主要是周期性定时采集。 有效的利用地质资源可以提高生产效率，降低灾害，这些都是建立在正确的 分析水文的基础之上的。以煤矿为例，我国煤矿水害事故和复杂的地质在整个世 界上都是罕见的，而国外煤层埋藏较浅，还存在很多露天煤矿。相比之下，我国 在此行业中更需要多种水文的监测系统，可以得知，水文的监测从现实意义和长 远的战略意义方面来说是十分重要的。传统的人工数据采集设备无法满足遥测系 统的需要，必须进行更新或改造，实现信息的自动采集、数字化、长期自动存贮 武汉理工大学硕士学位论文 以适应现代数字通讯。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国内现状分析 我国对于水文监测监控技术应用较晚，由于我国地质情况复杂，现在在全国 各地收集的水文数据都很少，主要的水文数据都是服务于很多工程建设f 2 1 ，而先 期进行地质勘探和水文数据采集的，并没有形成大面积的采集。同时水文采集的 技术方法的研究和应用也受到复杂地质的约束，随着经济的发展，许多工程对水 文数据需求越来越多，2 0 世纪8 0 年代初，在对国外监控技术进行大规模的考察 和引进工作，结合国内的情况，研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统， 主要的特点有：同地点多层次监测；测控智能化；实时数据可视化显示和数据 追溯；数据采集方式的有效设置。目前对安全生产和管理也起到了十分重要的作 用。 无线通信技术在水文监测中扮演着重要角色。前期，由于通信技术的限制， 各种数据的采集在野外进行人工作业，测量人员定期测量，工作繁重，效率低下。 后来随着通信技术的发展，对水文远程在线监测的发展起到了极大的推动作用。 主要应用g p r s 通信方式。无线通信的发展，使得工作人员不必进行地下长期作 业，而能更方便的远程监测水文。 1 2 2 国外现状分析 国外水文监测控技术发展较早，在西方发达国家，都先后开展了一系列具有 明确科学目标的水文观测计划。在现代化水文方面的研究和应用起步较早，在煤 矿水文监测中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。但此方面与我国存在较大 差异，煤在这些国家能源结构中并不是处于主要的地位，多以露天煤矿生产为主， 涉及到矿井水害问题较少。 1 3 论文的主要研究工作 根据控制单元应用要求，主要研究以下几个方面： ( 1 ) r s 4 8 5 的主从式通信网络 ( 2 ) 控制单元周期或时间设置 ( 3 ) 控制单元低功耗 ( 4 ) 数据采集传输协议 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 设计过程分析 图l l 控制单元处于低功耗的运行模式，当时间达到数据采集时间时，控制单元从 低功耗状态转变为正常工作状态，开启变送器的供电电源，按照次序先后，压力 变送器l ，压力变送器2 依次采集数据，并保证任何一个时间点只有一个压 力变送器在采集数据并传回数据。当数据采集完后，关闭变送器的电源，打开无 线发送模块( 蓝斯公司型号为7 3 1 i ) 的电源，将数据发送出去，并等待上位机发送 过来的数据。当没有数据传回时，自采集数据完成后开始计时，达到1 5 秒后关 闭无线发送模块的电源，控制单元进入低功耗的运行模式；如有数据传回，则将 数据存储，并返回数据处理标志( 修改成功与否的标志) ，关闭无线发送模块的电 源。 项目要求使用两节锂电池供电，时间要达到半年以上。设计是先设计硬件部 分，然后在设计软件部分。在4 8 5 网络通信的从机变送器是3 3 v 供电，由于没 有找到在3 3 v 下正常工作的变送器，所以理论上给出变送器的软硬件设计，这 部分的代码测试均是在c 8 0 5 1 f 0 4 0 t b c 开发板上实现的。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章控制单元硬件设计 2 1 主要芯片及工具 ( 1 ) s i l i c o nl a b 公司简介 s i l i c o nl a b 公司在2 0 0 3 年收购了m c u 公司，并在其基础之上，开发了一系 列兼容5 l 内核的单片机，并根据应用场合的不同，分类开发各种机型，主要有： 小封装单片机、智能接口设备、u s b 接口单片机、无线单片机、高性能模拟密 度单片机、工业和汽车及单片机等 9 1 。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机是m c u 其中的一种，属于高性能模拟密度单片机中的一 款机型，功能较为全面，小型封装，特别适合要求小尺寸电路板的应用。在国内 许多行业得到了较为广泛的应用，c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机的资料也很丰富。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机是由s i l i c o nl a b 公司生产的，既可以处理数字信号，也可 以处理模拟信号，与8 0 5 1 微控制器内核兼容，5 1 单片机所运行的指令集完全兼 容。是一款可以处理混合信号并向下兼容5 l 单片机的s o c 系统级芯片【9 j 。 ( 2 ) 单片机功能简介 该单片机不在区分机器周期和时钟周期这两个概念，时钟周期和机器周期意 义相同，从另一个方面来说，提高了工作效率。c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机扩充可5 l 单 片机的外部设备，并在此基础上集成了多种功能，基本上可以满足不需要外设的 辅助芯片就可以满足设计要求，代表了目前8 位单片机控制系统的发展方向。基 本的外设接口有：u a r t 、a d c 、d a c 、s m b u s i i c 、数字l o 端口、温度传感 器、s p i 、可编程计数器定时器阵列( p c a ) 1 9 1 。为了配合外设接口，芯片内部也 集成了多种功能单元：模拟多路选择器、可编程增益放大器、电压比较器、电压 基准、温度传感器、定时器、电源监视器、看门狗定时器( w d t ) 和时钟振荡器等 熊【9 】 寸o c 8 0 5 1 f 0 4 0 不仅具有功能较为丰富的外设或功能部件之外，而且还具有片内 j t a g 和在线调试功能调试，目前c 8 0 5 1 f 0 4 0 的j t a g 接口不仅可以支持c y g n a l 公司自己开发的i d e 工具，而且还支持目前应用广泛的k e i l 软件，通过4 个引 脚与主机芯片连接。工作电源与主机芯片的工作电源一致，均为3 3 v ，而且j t a g 接口完全符合i e e el1 4 9 1 标准，为生产和测试提供完全的边界扫描功能【9 1 。 在串行通信方面有较大的改善，c 8 0 5 1 f 0 4 0 有两个u 舢玎、s p i 总线和 s m b u s i i c 总线。 每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c i p 5 1 产生中断，因此很少需要 c p u 的干预。而且串口不需要连接在指定的i o 口上，可以根据实际应用分配管 4 武汉理工大学硕士学位论文 脚，但由于外设模块较多，所以规定了优先级，优先级越高所能分配的管脚越少， 例如u a r t 0 的优先级最高，只能分配p 0 0 和p 0 1 这两个管脚，而且p 0 0 只能 接t x d ，p 0 1 只能接r x d 。除此之外，c 8 0 5 1 f 0 4 0 还增加了u a r t l ，u a r t l 是一个增强型的串口。对于传统的5 l 单片机而言，地址完全有软件干涉，而 c 8 0 51f 0 4 0 增加硬件干涉，有专门的地址寄存器设置。 数模转换方面，c 8 0 5 1 f 0 4 0 器件内部有一个a d c 子系统，用户可以选择 a i n 0 0 - - a i n 0 3 和p 3 口作为模拟信号后模拟差动信号输入端，精度得到1 2 位， 最大采样速率为1 0 0 k s p s ，功耗方面，可以通过特殊功能寄存器控制a d c 关断 a d c 以节省功耗。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 类型的单片机在国内应用较为广泛，机型功能齐全，供电电压： 2 7 3 6 v ，多种节电休眠和停机方式，温度范围：一4 0 0 c + 8 5 0 c ，1 2 位a d ，两 个串口。完全满足本设计的要求。示意图如下： 图2 - 2c 8 0 5 1 f 0 4 0 ( 3 ) 编译软件k e i l l x v i s i o n 4 k e i l l a v i s i o n 4 是由k e i l 公司2 0 0 9 年2 月发布一个新的版本，编译语言有c 语言和汇编语言，可以连接和定位目标文件和库文件，可以生成b i n 文件和h e x 文件。支持在线调试，并支持连接其他软件在线调试，如图所示得到了很多芯 片生产厂商的支持，c y 倒a l 公司也给出了完美的支持调试方案。 k e i ll av i s i o n 4 增加了一次性多行注释，一次性多行取消注释的功能，同时 对汉字的输入用特定的方框进行标示，界面可以进行有效的组织，相对于以往的 版本来说，组织开发代码更为方便。其在线仿真和在线联调的功能也十分完善， 可以支持多种软件驱动。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 控制单元端口配置 图2 3 接口示意图 锂电池供电电源接口为p 5 1 ，接收变送器数据接口为p 5 2 ，无线模块发送数 据接口为p 5 3 。控制传感器供电电源接口为p 5 4 ，控制无线模块接口为p 5 9 。 只有一个u a r t 0 需要设置，u a r t 0 的优先级最高，相应的端口配置管脚也 就只有p 0 0 和p o 1 两个管脚。同时必须交叉开关使能，这样才能使u a r t o 配 置到端口上去。同理将u a r t i 配置到p 0 2 和p 0 3 上，代码如下： v o i dp o r t 1 0 i n i t o s f r p a g e = c o n f i g _ p a g e ； x b r 0 = 0 x 0 4 ； x b r 2 = 0 x 4 4 ： ) 2 3 晶振 ( 1 ) 晶振的选择 c $ 0 5 1 f 0 4 0 内部具有系统晶振，为0 - - 2 5 m h z ，典型值为2 4 5 m h z 【1 3 l ，基于 传输通信的要求，为了产生较为精确的波特率并同上位机通信，采用外部晶振， 晶振频率：1 1 0 5 9 2 m h z 。 ( 2 ) 晶振并联电容值的计算 为了配合外部晶体顺利起振，常在两端接上两个电容。两个x t a l 引脚的寄 生电容值大约为3 p f ( 并联后，单个为6p f ) ，接在晶振两端外加电容的电容值应 该在2 0 p f - 3 0 p f 之间。电容值越大，寄生电容对最终频率的影响越小，常规的 是加上一个等效的电容，值为2 0 p f 。计算如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 电容和晶振连接图 由图2 4 可知： lll 一+ 一= 一 c p l + c x lc p 2 + c x 2 2 0 ( 2 1 ) 一般情况下有：c p l = c p 2 ， c x l = c x 2 ，所以方程改写为： 2l 一= 一 c p l + c x l 2 0 ( 2 2 ) c p l = 6 p f 带入方程3 2 - c x l = 3 4p f ； 总负载电容c l 的计算公式： c l = 1 2 ( c x l + c p l ) + c o 均以p f 为单位( 2 3 ) cl ：总负载电容； c x l ：外加电容值； c p l ：寄生电容值( 单个) ；c o ：晶体并联电容值 e c s 官方网站中1 1 0 5 9 2 mf i z 晶体，数据手册中给出该器件最大e s r 为3 0 q ，并联电容为7 0p f ( c o ) ，带入公式3 3 有 c l = 2 0 p f + c o = 2 0 p f + 7 p f = 2 7p f 注：此公式是在满足c p l = c p 2 ，c x l = c x 2 条件下成立的 ( 3 ) 晶振功率系数的确定 晶体振荡器驱动器的驱动电平是由x f c n 2 0 寄存器控制网。一般来说，驱动 电平应足够强以保证晶体起振，然而过强可能导致晶体性能过早变坏。所以 x f c n 2 o 要选择合适的值。 表2 1x f c n 2 0 外部振荡器频率控制位 x f c n功率系数频率范围 0 0 0 9 00 0 0 1 5l 州z 一4 0 0k h z o o l 2 8 00 0 0 4 0 0l mz lm hz 0 1 08 1 00 0 0lm h z 一2m hz 0 l l23 0 00 0 02m h z 一4m hz 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 063 0 00 0 0 4m h z 一6m hz l o l2 44 0 00 0 6m h z 一1 2m h z 1 1 03 66 0 00 0 01 2m h z 一2 0m h z l ll1 1 00 0 00 0 0 2 0m hz 一3 0m h z p f = 5 e s r f 2 c l 2 ( 2 4 ) p f ：功率系数；f ：晶体频率，以m h z 为单位； cl ：等效负载电容，以p f 为单位； e s r ：晶体( 或陶瓷谐振器) 的等效串连电阻，以欧姆为单位； 将上述参数代入公式2 4 有： p f = 5 3 0 奉11 0 5 9 2 2 * 2 7 21 30 0 00 0 0 对照表2 1 ，可知x f c n _ 1 0 1 b 综上所述，晶振的连接图如下： x t a l 2 图2 5 11 0 5 9 2 m h z 外部晶体示例 ( 4 ) p c b 布局注意的问题 晶体振荡器电路是芯片的时钟源，对p c b 布局非常敏感。布置不当可能造 成引入噪声或干扰等无法预计的后果。具体做法是：将晶体尽可能地靠近器件的 x t a l 引脚，布线应尽可能的短，且并用地平面屏蔽。 有时石英晶体振荡器不易起振，可以在x t a l 的两个引脚上加上5 m 一2 0 m 的电阻( 内部有i o m 的电阻，所以外部不用接电阻) ，片内就形成了放大负反馈， 使放大器脱离截止区和饱和区，工作在放大区，这样就更容易起振了。 ( 5 ) 切换到外部晶振 表2 2o s c x c n 外部振荡器控制寄存器 rlr wir wlr 聊frii v wlr wir w x t l v l d ix o s c m d 2ix o s c m d iix o s c m d o1 ix f c n 2ix f c n ilx f c n 0 x o s c m d 2 o ( g b 部振荡器方式 o o x ：i关闭外部振荡器 0 1 0 ： l外部c m o s 时钟方式 8 武汉理工大学硕士学位论文 控制位) ： 0 1 l ： 外部c m o s 时钟二分频方式 l o x ：r c c 振荡器方式二分频 1 1 0 ：晶体振荡器方式 1 1 l ： 晶体振荡器方式二分频 位2 0 ：x f c n 2 o ： 外部振荡器频率控制位见表2 1 在开启振荡器和开始监测x t l v l d 位的时间差至少需要l m s 以上，以使外 部振荡器稳定，这样可以防止过早将外部振荡器切换为系统时钟而导致不可预见 的后果 6 1 。切换到外部晶振，建议步骤如下： 开启外部振荡器 使用定时器延时至少l m s 查询寄存器x t l v l d 的值是否大于或等于l 如果寄存器x t l v l d 的值是否大于或等于l ，将系统时钟切换到外部振 荡器，否则不予切换，继续等待 使用片外晶振代码如下： v o i do s c i l l a t o r _ i n i t 0 i n t j = 0 ； s f r p a g e = c o n f i g _ p a g e ； o s c x c n = 0 x 6 5 ； f o r ( i = 0 ；j 2 4 电源供电模块 r l l 图2 - 6 电源供电 2 4 1t p s 7 8 8 3 3 的特性 接电源的端口为p l ，输出的电压为：3 3 v 。所用芯片为t p s 7 8 8 3 3 d b v t ( d b v t 9 武汉理工大学硕士学位论文 指的是封装的类型) 。 野外供电电源为两节锂电池，电压为7 4 v ，c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机的工作电压选 择为3 3 v ，芯片t p s 7 8 8 3 3 满足所要求的特性。 t p s 7 8 8 3 3 特性如下： 封装采用s o t - 2 3 ； 当输入的电压范围为：2 7v - 1 3 5v ，输出电压典型值为3 3 v ； 正常工作温度为- 4 0 。c 到1 2 5 。c ； 有过载电流限制的功能； 在待机模式时，静态电流只有l p a ； 工作电流在1 5 0 m a 的时候，静态电流只有1 7 p a ； 供电电压为7 4 v ，虽然传输一段距离电压有所下降，但可以满足输入电压的 范围2 7 v l1 3 5v 要求，具有较好的宽幅电源输入特性，对供电电源的要求降低 了许多。而且输出电压为3 3 v ，同时是低输出噪声和低静态电流输出，依据其 特性具有低功耗的特点，所以符合供电电源的要求。这种设备主要应用于电池优 化和驱动设备。引出标号为3 3 的电源主要由于数字隔离器。 来自t p s 7 8 8 3 3 d b v t 芯片文档的典型应用如下： 图2 7 典型应用 端口说明：l 、电压输入端；2 、接地：3 、芯片使能端，低电平有效( 激活) ； 4 、控制启动电流端；5 、电压输出端 2 4 2 供电电源芯片的比较 l m 2 9 3 7 l m p 正常工作温度为4 0 。c 到1 2 5 。c ；有过载电流限制的功能；有多种封装；但 对输入电压要求为：2 6 v ，输出电压可有多种：3 3 v 、5 0 v 、8 0 v 、1 0 o v 、1 2 o v 、 1 5 o v 。可见输出电压满足要求，而输入电压不能满足要求。 供电电源芯片a s l l l 7 和供电电源芯片s 8 1 8 均存在上述的问题，输入电压不 能满足要求。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 电源开关控制模块 l l - g n d a c 3 7 f 图2 8 电源开关控制图 继电器a c 3 7 f 的优点及其应用 使用的是继电器a c 3 7 f ，优点如下： 由接触点构成 负荷电压最大值为：6 0 v l e d 最大负荷电流为：5 0 m a 器件最大负荷电流为：3 6 0 m a 阻抗为：1 6q 低开路时漏极最大电流为：1 0 0 a 入口绝缘耐压值为：有效电压值为3 7 5 0 v 由上述可知a c 3 7 f 的性能很好，本设计控制的输入电压为7 4 v ，而且损耗 电能很小，所以完全满足设计要求。结构示意图如下： 图2 9a c 3 7 f 原理图 可知a c 3 7 f 是一个典型的继电器，当引脚l 有电压输入( 3 3 v ) 时，l e d 有正 向电流导通，发出红外光线，使得引脚7 和引脚8 导通。引脚3 一引脚6 的功能 同上述介绍的一样。 a c 3 7 f 控制器件的主要作用是控制无线发射模块d t u 和变送器的电源供 电。当主芯片向标号为d t u k g 的管脚写入l ( 高电平) 时，7 4 v 的电压与无线发 送模块接通，写入o ( 低电平) 时断开。主芯片向标号为c g q k g 的管脚写入l 时， 鸶餐 武汉理工大学硕士学位论文 7 4 v 的电压与传感器的供电电源接通，写入0 时断开。 电源的供电次序： 接通压力变送器的电源。 数据发送完毕后，断掉压力变送器的电源。 接通d t u 的电源。 停留1 5 秒( 供用户远程修改采集时间间隔) 。 断掉d t u 的电源。 2 6 数据发送 4 8 5 通信的器件选择s 3 4 8 5 低功耗器件，为了使数据传输安全用数字隔离芯 片s i 8 4 6 2 b a b i s l 进行隔离。 2 6 1 通信硬件接口 剿0 4 剿l 5 剽主； 到；7 。 剽o 4 r e 引； ；d e 引2 ； d 划i 3。7 v c c b + 3 3 v + 3 3 v i l 2a 急帔 弋7u a o n dii v c c b p 5 2 巨 ，3 。3 v 6 l 三 至 l 主 a 图2 1 0 通信接口图 常用的通信接口有r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、r s - - 4 2 2 等。 ( 1 ) 采用r s 2 3 2 c 接口存在的问题 数据传输距离短、速率低、存在电平偏移，而且抗干扰和噪声信号能力差， 在外界强强信号的干扰下，很容易造成通讯中断。例如打雷的天气容易造成2 3 2 通讯的中断，有时会将器件击毁。所以一般在室内短距离，情况较好的条件下使 用。 ( 2 ) r s - 4 8 5 通信 1 2 一一m一一一一 一一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 ( t t l j 电平 l lt t l f 电平 j 图2 1 lr s 4 8 5 原理图 r s - 4 8 5 传输线采用差动信道，即无需考虑对地信号，所以它的干扰抑制性能 极好，有较远的传输距离，可以达到1 2 0 0 米【3 2 1 。而且它的阻抗低，没有接地问 题，传输速率也就很高，可达l m b p s 。 应用r s 4 8 5 总线的收发双方只要两根传输线( a ，b ) ，r s - 4 8 5 的信号传输的 过程与r s 2 3 2 不同，它是用两根线之间的电压来表示逻辑l 和逻辑0 。相对 r s - 4 2 2 a 而言，r s - 4 8 5 进一步拓宽了网络的深度。 本次设计主要用于野外数据采集，采用半双工通信有利于程序的维护，符合 通信需求的选择。如上图所示u 2 ( u a r t 0 ) 串口主要用于接收传感器返回的数据， u 3 ( u a r t l ) 的作用是将数据传至d t u 无线数据发送模块。 2 6 2r s 4 8 5 通信常见问题 一是通信的过程中数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方式下，整个系 统通信框架的崩溃，通常可能会是一个采集点的电源供电失常或死机等一些故 障，并且给故障的排查带来困难【2 6 j 。传感器的供电只在数据采集的时候打开， 数据采集完后关闭，而且数据采集周期较长，故传感器可使用上电复位的方式， 即不存在第二个问题。 在数据采集方面，呼叫从机1 秒之内没有回答，就跳过此从机。数据接收如 果3 0 毫秒没有数据传回，认为数据采集失败。这样就避免一直等待的死机情况。 4 8 5 只能识别2 0 0 m v 以上的电压，所以a 、b 端电位差的绝对值必须大于2 0 0 m y ， 否则会引起接收端的通信故障，解决方法是上下拉一个电阻，如图2 1 0 。 2 6 34 8 5 芯片的选择 图2 1 2s p 3 4 8 5 芯片 ( 1 ) s p 3 4 8 5 芯片 s p 3 4 8 5 可用于r s 4 8 5 和r s 4 2 2 收发器，兼容工业标准规范。它是一款低 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 功耗半双工收发器件，+ 3 3 v 的电压可以满足供电要求，在带负载的情况下，数 据传输的最高速率可达1 0 m b p s 。芯片性能方面：输入电阻通常为1 5 l 0 ，灵敏度 可达到2 0 0 m y ，具有较好的输入特性和识别特性。驱动器输入到输出时间为 2 0 n s - - 6 0 n s ，驱动器上升或下降时间等参数标准均是i i s 级别，芯片较为灵敏。 为了不使接收数据和发送数据产生冲突，s p 3 4 8 5 的接收器输出使能是低电 平有效，驱动器输出使能是高电平有效。通常情况下，r e 和d e 连接在一起， 给r e 和d e 置高电平，则表示数据输出，给r e 和d e 置低电平，则表示数据 输入。 s p 3 4 8 5 是低功耗半双工r s - 4 8 5 收发器，通讯方式大多采用串行异步。 串行异步通信是将数据字节分成一位一位的形式，在一条传输线上逐个地传 送【1 2 】，接收和发送双方使用各自独立的时钟，控制数据的接收和发送过程。各 自的独立的时钟可以不一致，但是为了协调双方的收发数据，所以要求发送和接 收双方的时钟尽可能一致。串行通信的特点：长距离传输成本低，传输线少，设 备开销较小，实现容易，每个字符要附加2 3 位用于起止位，各帧之间还有间 隔，因此传输效率不高。 ( 2 ) 匹配电阻 为了减少线路上传输信号的反射，常在r s 4 8 5 网络传输线的始端和末端加上 一个匹配电阻，匹配电阻主要依据通讯载体的特性阻抗来选择。用的较多的是， 双绞线特性阻抗为1 2 0q 左右。但匹配电阻要消耗较多的电流，而且通常用于波 特率低于1 9 2 0 0 b p s 场合，所以不连接匹配电阻。 2 6 4 通信隔离器件 由于控制小板连接g p r s 模块，故干扰信号较强，而且4 8 5 芯片超过极限电 压+ 1 2 v 以上和7 v 以下( 针对差分信号) ，就会出现永久性的损坏。为了保障芯片 安全和数据传输安全，采用隔离器件。 光电隔离器件由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大，它的输入端 和输出端是通过光信号传输的，一般情况下，光的发射的电压达到一定电压的情 况下才能导通，所以具有很好的抗干扰能力，也具有很好的电绝缘能力。由于输 入端的噪声基本消除，零点漂移效果降低，可以大大提高信噪比。常见的光电隔 离器件有f o d m 8 0 6 1 ( 3 3 v ，低功耗) ，t l p 5 2 1 ，p s 2 5 0 1 等。而且光电隔离器也 会降低数据传输速率，功耗较大。数字隔离器件传输速率高、功耗低( 约只有光 电隔离器件1 1 0 ) 、隔离电压高、抗噪声能力强。综合考虑，不采用光电隔离器 件，选用数字隔离器件。 数字隔离器件因其传输信号的方式不同，有多种类型的数字隔离器件，以 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 s i l i c o nl a b s 公司的产品为例，s i 8 4 6 2 b a b i s l 是s i l i c o nl a b s 公司早期推广的数字 隔离器产品，具体特点有：通道使能输出输入，正向通道数4 个，反向通道2 个；工作电压2 7 5 5 v ，具有低功耗特性；传输速率最高1 5 0 m b p s ：隔离电压最 高2 5 k v 。但需要外加r f ( 高频交流变化电磁波) ，且对布线及外界情况有一定的 要求。s i 8 6 6 2 b d b i s l 所具有的特性和s i 8 4 6 2 b a b -