（检测技术与自动化装置专业论文）全无线遥测系统.pdf

中文摘要 针对仪表在布线困难、布局分散条件下统一管理的问题，本论文 设计了一种全无线遥测系统，基于单片机的智能测量，采用无线数传 模块和基于短消息的g s m 网络的双模无线通讯进行数据传输，实现 了远程监测的方案。 全无线遥测系统能够测量多种输入信号，传输的数据采用标准通 用格式，具有通用性；系统分三层结构设计，第一层结构为通用无线 智能传感模块，它能够根据功能需求进行组态和测量切换，其软件设 计采用双循环消息驱动思想，组态和测量的循环中的消息可进行相互 独立的处理，测量数据能单向定时地通过无线数传模块发送给系统的 第二层结构，即双模无线智能仪表；双模无线智能仪表接收、显示并 存储通用无线智能仪表的数据，且能随时响应系统的第三层结构数据 中心的招测命令，为了消除频繁招测对其它工作的影响，本研究中设 计了一种基于数据缓冲池的双c p u 结构；数据中心进行远程监测， 利用公网，数据以短消息的方式按照m o d b u s 协议传送。三层结构之 间的信息全部采用无线传输，极大提高了整个测量系统的灵活性。 关键字：无线通讯，双循环消息驱动，双c p u ，数据缓冲池，m o d b u s 协议 a b s t r a c t i nt h ep a p e r , af u l lw i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h ei n t e l l i g e n t m e a s u r e m e mo f t h em i c r o c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e di no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o no nt h e u n i f i e dm a n a g e m e n ti nt h ec o n d i t i o no fw i r i n gd i f f i c u l t l y , i n s t r u m e n tl a y o u ts c a t t e r t h er e m o t ed i s t a n c em o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e mi sa c h i e v e du s i n gd o u b l e m o d e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h ew i r e l e s sd a t a - t r a n s m i t t i n gm o d u l ea n ds m s 1 1 1 ef u l lw i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n gs y s t e mi sa p p r o p r i a t ef o rg e n e r a lp u r p o s e w h i c hc a nm e a s u r es e v e r a li n p u t - s i g n a l s a n dt r a n s m i td a t ai ns t a n d a r df o r m a t t h e s y s t e ms t r u c t u r em a yb ed i v i d e di n t ot h r e el a y e r s 1 1 1 ef i r s tl a y e r i s i n t e l l i g e n t g e n e r a l - p u r p o s ew i r e l e s ss e n s o rm o d u l e ，w h i c hc a ni m p l e m e n tc o n f i g u r a t i o na n d m e a s u r i n gs w i t c ha c c o r d i n gt o d i f f e r e n tf u n c t i o nr e q u i r e m e n t 1 1 1 es o t h a r ei s d e s i g n e db ym e a n so fd o u b l e c i r c u l a t i o nm e s s a g ed r i v ei d e a ，a n dt h em e s s a g e si nt h e c o n f i g u r a t i o na n dm e a s u r e m e n tc i r c u l a t i o nc a nb ep r o c e s s e di n d e p e n d e n t l y b y w i r e l e s sd a t a t r a n s m i t t i n gm o d u l e ，t h em o d u l ea c h i e v e dm o n o d i r e c t i n a la n dt i m i n g t r a n s m i s s i o no ft h em e a s u r e dd a t at ot h es e c o n dl a y e r , n a m e l yd o u b l e m o d ew i r e l e s s i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h e nt h ed o u b l e m o d ew i r e l e s si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc a n r e c e i v e ，d i s p l a ya n ds t o r et h ed a t af r o ma l l - p u r p o s ew i r e l e s si n t e l l i g e n ts e n s o rm o d u l e a tt h es a m et i m e ，t h ed o u b l e - m o d u l ew i r e l e s si n t e l l i g e n tm e t e rc a na l s or e s p o n dt ot h e c a l li n s t r u c t i o no ft h et h i r d l a y e rs t r u c t u r e ，n a m e l yd a t ac e n t e r t oe l i m i n a t et h ee f f e c t t oo t h e rf u n c t i o nf r o mf r e q u e n tc a l li n s t r u c t i o n ，ad o u b l e - c p us t r u c t u r eb a s e do nd a t a c a c h ep o o li sd e s i g n e d t h er e m o t em o n i t o r i n go ft h ed a t ac e n t e ri si m p l e m e n t e di n t h ec o m m o n - n e t d a t ac a nh et r a n s m i t t e di nt h ef o r mo f m o d b u sp r o t o c o lb a s e do nt h e s h o r tm e s s a g e a l li n f o r m a t m ne x c h a n g ea m o n gt h et h r e e l a y e r sa d o p tw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm a n n e r , w h i c hi m p r o v e st h ef l e x i b i l i t yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，d o u b l e c i r c u l a t i o nm e s s a g ed r i v e ， d o u b l e c p u ，d a t ac a c h ep o o l ，m o d b u sp r o t o c o l 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 自单片机问世以来，单片机技术得到了迅猛的发展，使得单片机的性能不断 提高，功能越来越强，因其具有功能强大、低功耗、体积小等优点，目前已被广 泛应用于工业控制、仪器仪表、计算机、家电等许多领域中。本课题就是根据单 片机的以上优点将其应用在仪表的智能测量中。 随着计算机技术的应用和网络技术的飞速发展，计算机远程监测监控手段在 各行业中也得到了广泛的应用，远程监测系统具有信息反馈迅速，便于统一管理、 集中调度指挥，有效的提高了管理水平，解决了测量中人工监测1 2 i 的弊病。 针对目前有些地区现场布线困难、仪表布局分散。不利于集中管理的现状， 作者设计了一套全无线遥测系统，系统基于单片机对现场输入信号的智能测量， 利用无线通讯进行数据传输，实现远程监测1 3 1 4 ，解决以上问题。现场的测量信 息能够以无线的方式被传送出去并且可以在数据中心实时集中管理，统一调度， 查询及报表打印等。全无线遥测系统是一种通用的系统，4 i 仅能测量频率信号， 而且能够测量微小信号和4 2 0 m a 的电流信号。 1 2 无线通讯的研究现状 信息传输可以通过有线通讯和无线通讯两类忙j 。有线通讯传输方式如：电力 线载波、r s 2 3 2 总线、r s 4 8 5 现场总线、和p s t n 公用电话网等。无线通讯传输 方式包括无线电波、微波、红外线光等。其中无线电波通讯包括v h f u h f 无线 数传模块，无线电台、i s m 扩频电台、g s m 移动电话网以及卫星通信网等。每 种方法都各有优点和特点。根据不同实际情况选用不同传输形式。当距离很近时 经常采用有线传输；当传输距离较远，并且在不容易布线的情况下，采用无线数 传模块进行数据传输是比较方便、性价比很高的选择；而在远程遥控测量中，数 据传输一般采用电台ng s m 网络刚8 j f 9 ) 或公用电话网垤输数据更为有效可 靠。 r s 2 3 2 总线标准是由美国电子工业协会( e i a ) 公布的标准，r s 是推荐标准 的缩略，2 3 2 是标准的标志号，c 是版本号。它的正规名称是：数据终端设备( d t e ) 与数据通信设备( d c e ) 在进行- 进制数据变换时的接口。它是一种串口通用的 标准接 _ _ i 协议。 无线射频数传模块是利用射频的方式，以电磁场为传输介质进行非接触数据 传输，完成信息交换的数据传输模块。具有体积小、外围电路连接简单，使用可 第一章绪论 靠高、功耗低、价格便宜的特点，适用于数据传输率低，传输距离不是很远，数 据量小，低功耗要求的场所，。例如应用于安防系统l ”l 、油田测控系统、家庭无 线抄表、远程无线监控等领域“f f “1 9 6 1 。深圳市友讯达通讯设备有限公司的施国 铭利用无线数传模块f c - - 2 0 1 e 实现了适应多种智能电表通信规约的无线通讯 i i 。 无线电台是传统的利用无线电波在某个频点下进行远距离数据传输的方式。 无线电台传输距离较远，只需维护费而无运营费用，系统使用及站点扩展很方便， 但其一次性投入费用较高，且必须向当地无线电管理部门申请相应频点才能使 用。同济大学的郭其一等研究的分布式测控系统网络中利用电台实现无线通讯传 输数据l ”j 。 近年来，基于公共网络的通讯手段在工业远程监控中得到初步的应用。这些 远程通讯手段包括公用电话网、g s m 网、i n t e m e t 网络等，利用公网传输数据价 格便宜、免于维护、价格便宜。 全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是世 界上主要的蜂窝系统之一。它是一种网络规范，定义了建设该网络及服务的各种 标准。g s m 网络实现中通常使用g s m 的双频频率9 0 0 m h z 、1 8 0 0 m h z 。g s mm o d e m 是使用g s m 网络能力的终端设备m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) ，是工业级手机模块或 其封装产品。能像手机一样具备使用g s m 网络的能力。 很多人在g s mm o d e m 方面做过一定的研究和探索，如西安工业学院的王鹏 等，哈尔滨工业大学威海分校和济南市路灯管理处毛兴鹏等基于g s m m o d e m 无线通信9 实现了远程通讯系统设计，西安邮电学院的毛永毅等通过g s m 网 络利用短消息实现了无线监测口“，山东鲁能控制工程有限公司的郭鹏等将手机 短消息应用于远程无线监控系统中。 由以上文献的研究我们看到，无线数传模块、电台、无线g s m 网络在无线 监测、远程监控中已经得到广泛应用。本课题就是基于无线数传模块、电台和无 线g s mm o d e m 在测量中的应用进行研究的，不同的是本课题中不使用单一无线 通讯模式，而是双模无线通讯方式，即不仅将无线数传模块应用于测量中的无线 传输，还将基于短消息的g s m 网络应用于远程监测系统，实现了全无线的 遥控测量。 1 3 课题的特点和创新点 1 标准通用的传输数据 全无线遥测系统中的每一部分向外发送的数据都是标准通用的，整数采用 1 6 进制格式，浮点数采用标准i e e e - - 7 5 4 ( 3 2 ) 浮点格式，这使得系统的每一 第章绪论 部分都具有一定的独立性和通用性便于移植。 2 通用无线智能传感模块的通用性 通用无线智能传感模块可以测量多种信号，即4 - - 2 0 m a 电流信号、小信号、 频率信号，具有通用性。 3 软件编程采用外部消息驱动的双循环机制 为使程序结构简化合理，功能清晰，采用双循环消息驱动机制。程序按照其 工作方式分为两大部分：工作程序和组态程序。两部分程序构成两个独立的循环， 即工作循环和组态循环。两个循环独立处理各自消息，通过共享e e p r o m 中的 数据相互联系，即组态程序向p i c 的e e p r o m 中写入配置数据，工作程序从p i c 的e e p r o m 中读出配置数据。两个循环的切换由外部电平变化进行驱动，从而 构成了双循环消息驱动。 4 基于数据缓冲池的双c p u 结构 双模无线智能仪表包含两部分通讯。为消除数据中心频繁招测数据给双模无 线智能仪表的其它工作带来的干扰，并为消除使用一个串口可能发生的冲突，双 模无线智能仪表采用基于数据缓冲池的双c p u 结构。双c p u 共享数据缓冲池串 行e e p r o m 中的数据，主c p u 单元承担一部分通讯功能，显示和存储数据，并 定时向串行e e p r o m 中写入数据；从c p u 单元承担另一部分通讯功能，并定时 读取串行e e p r o m 中的数据。 5 基于短信方式的m o d b u s 协议 双模无线智能仪表与数据中心之间，利用基于短信方式的公网g s m 进行无 线通讯，传输数据采用m o d b u s 协议，保证了传输数据的可靠性。 6 系统的双模无线通讯特点 系统中不仅使用了无线数传模块进行无线通讯，将现场数据信息传输出去， 盯且使用了基于s m s 方式的g s m 网络招测双模无线智能仪表的数据，对整个 系统的数据进行统一管理，对所有双模无线智能仪表进行统一调度。两种模式的 无线通讯应用于系统中，实现了远程监测。 第二章全无线遥测系统的基本结构 第二章全无线遥测系统的基本结构 2 1 全无线遥测系统的结构 全无线遥测系统分三层结构，如图2 - 1 所示：数据中心、双模无线智能仪表、 通用无线智能传感模块。数据中心的计算机连接一个g s mm o d e m 模块，仪表室 的双模无线智能仪表连接一一个g s mm o d e m 模块和个无线数传模块，现场的 通用无线智能传感模块连接一个无线数传模块。数据中心和多台双模无线智能仪 表之间利用公网通过g s mm o d e m 模块以短消息方式进行无线通讯，实现远程监 测。通用无线智能传感模块通过无线数传模块向双模无线智能仪表定时单向地发 送数据。 仪 表 室 现 场 数 据 中 心 仪 表 室 图2 1 全无线遥测系统的结构框图 2 2 全无线遥测系统各部分的功能 第二章全无线遥测系统的基本结构 现场的通用无线智能传感模块完成测量功能和数据无线传输功能。它采集现 场输入信号，经信号处理模块处理之后，输入单片机进行a d 转换，变成数字信 号，然后经过单片机的一系列智能计算和功能转换，输出工程量。通用无线智能 传感模块不仅可以采集4 - 2 0 m a 电信号和小信号，而且可以采集频率信号，因此 可以进行多种测量，如温度、压力、流量等，具有通用性。 现场的测量结果既可以在通用无线智能传感模块上显示，也能在仪表室的双 模无线智能仪表上显示。通用无线智能传感模块和双模无线智能仪表之间，采用 无线数传模块传输数据。利用无线数传模块传输数据的方式解决了对于传输距离 较远，现场布线困难的问题。数据通过串v i 采用异步传输，制定传输协议。数据 按照传输协议被定时单向地发送给双模无线智能仪表。双模无线智能仪表和数据 中心之间，通过g s mm o d e m 模块传输数据，数据以短消息的方式按照m o d b u s 协 议传输：数据可以随机或定时招测双模无线智能仪表的数据，为避免频繁招测给 双模无线智能仪表的其它工作带来干扰，双模无线智能仪表设计成基于数据缓冲 池的双c p u 结构。 数据中心能够随机或定时招测双模无线智能仪表中与测量有关的数据，并具 有数据库自动备份、用户数据查询、用户数据修改、清空数据库、参数曲线显示、 用户数据打印等功能。双模无线智能仪表和数据中心之间般在1 到几卜公里以 上，距离很远，目前网络发达方便，因此可以采用电台或者g s m 嘲络或公用电 话网构成遥测网络，目前手机基站的网络覆盖面很广，在全国范围内都有网络， 传输数据快，运行费用相对低，将其作为工业通讯设备，有很强的适应性，所以 本系统设计采用基于短消息的g s m 网络传输数据，实现数据中心对所有双模无 线智能仪表的控制和管理。 第三章通用无线智能传感模块 第三章通用无线智能传感模块 3 1 通用无线智能传感模块的功能概述 通用无线智能传感模块是本无线遥测系统的现场测量部分，它采用p i c l 6 f 8 7 7 单片 机为核心，具有通用性，可移植性。通用无线智能传感模块的功能框图如图3 1 所示。 信号测量功 能子模块 组态功能 子模块 计算功能 予模块 键盘功能 子模块 由 央 处 理 器 盥 一 兀 存取功能 子模块 显示功能 子模块 无线通讯 子模块 图3 - 1 通用无线智能传感模块功能框图 信号测量功能子模块主要采集测量信号，并将信号转换成适合单片机处理的数宁信 号：组态功能子模块根据用户要求配置无线智能传感模块的功能：中央处理器单元按照数 据的配置要求执行信号采集、计算、功能转换、存储、显示等测量功能，从而满足用户的 要求，如果在中央处理器单元的软件中没有组态功能子模块配置的数据，那么中央处理器 单元就只是一个空的程序框架，其中没有任何命令指示，也不会执行任何操作；计算功能 子模块主要包含测量过程中的计算和转换公式，完成不同配置的功能转换：存取功能子模 块包括对组态数据的存储和读取及对累积值的存储和读取；显示功能子模块根据组态数据 中定义的要求承担着对测量输出量的显示。键盘功能子模块的作用是对累积量的清零和切 换显示；最后输出量通过无线通讯子模块定时单向地发送给双模无线智能仪表。 3 2 中央处理器单元 3 2 1c p u 特性 中央处理器单元是整个传感模块的硬件和软件核心部分。它的合理选择是传感模块运 行性能好坏的关键。本课题采用美国m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 6 f 8 7 70 2 4 幡i ，该单片机具 有以下特点： 第三章通用无线智能传感模块 1 采用独特的r i s c ( 精简指令集) 结构，及独立分开的数据总线和指令总线的哈佛总线 结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与 传统的采用c i s c ( 复杂指令集) 结构和冯诺依曼结构的单片机相比，可达到2 倍的代 码压缩和4 倍的速度提高。同时，采用精简指令集( 共3 5 条指令) ，方便编程、修改、 阅读、调试。 2 内部8 kf l a s h 程序存储器、3 6 8 字节的数据存储器( r a m ) 和2 5 6 字节的e e p r o m ，完 全满足系统设计要求。 3 外围电路简单。节省电路板空间，减少电路干扰。 p i c l 6 f 8 7 7 是双列直插的4 0 引脚的外型。如3 2 图。 图3 - 2p i c l 6 f 8 7 7 引脚图 3 2 2 双循环消息驱动软件设计 根据功能需求，软件工作方式可分为两类： 1 组态工作方式 2 正常工作方式 两种工作方式分别构成两个循环，两个循环独立工作，通过共享e e p r o m 中的数据 相互联系，即组态工作时程序向p i c 的e e p r o m 中写入配置数据，正常工作时程序从p i c 的e e p r o m 中读出配置数据。 为使程序结构清晰合理、便于修改、调试，作者采用了双循环消息驱动机制。 在传统的消息驱动思想中，消息是这样定义的：当某个事件( 如中断) 发生时，事 件处理程序( 如中断服务程序) 设置相应的标志，不同的标志代表不同的消息；而主程序 所进行的消息循环就是主程序不断判断这些标志，以决定启动哪一个处理函数( 即将消息 发送给特定的消息处理函数) 。消息由单片机内部的消息源发出，能够发出消息的消息源 有各种中断源；对于5 l 单片机消息源可以是中断源、定时器计数器2 6 】| ”1 1 1 8 i 等。基于消 息驱动的编程思想为：丰程序循环检测消息，判断标志位，当检测到有消息时，主程序向 消息响应函数发送消息，消息响应函数获得程序控制权，做完相应的处理后再将控制权交 还给主程序继续消息循环的处理洲“川。 7 第三章通用无线智能传感模块 本设计中，整个程序根据工作方式分为两大部分：工作程序和组态程序。两部分程序 构成两个独立的循环，即工作循环和组态循环。两个循环独立处理各自消息。两个循环的 切换由外部电平变化进行驱动，从而构成了双循环消息驱动。 程序流程图如图3 3 所示： 开始 初始化 y e n a b l e = 17 ，n 读e e p r o m 数据 c a l l 置标志位 继续初始化 - y e n a b l e = 17 ， n 初始化 n 1 s 到标志位：1 7 ， 。y 接收配置数据 计算程序 程序 显示子程序写e e p r o m 写e e p r o m 程序 y e n a b l e 2 17 ， n 发送程序 图3 - - 3 主程序流程图 工作程序内部采用模块化设计，即工作程序包含多个程序模块，各个程序模块采取判 断标志位决定是否执行该模块，模块化设计便于程序的修改、调试和移植。涉及到的标志 位有： 电流测量标志位：i _ f l a g ( i t e m = i ) 温度压力测量标志位：p t f l a go t e m = 2 ) 第三章通用无线智能传感模块 频率输入标志位：f _ f l a g ( i t e m = 3 ) 带温度补偿的频率输入标志位：t f _ f l a g ( i t e m = 4 ) 显示标志位：d i ”l a g 显示累积、瞬时值标志位：d i s _ l j s s _ f l a g 累积标志位：l u l a g 使用p t | 0 0 标志位：p t l 0 0 一f l a g 显示温度标志位：d i s j - f l a g 计算标志位：c a l _ f l a g 3 3 信号测量功能子模块 本传感模块能够测量3 类信号：小信号，如温度、压力等；4 2 0 m a 电流信号；频 率信号。因此信号测量子模块包括小信号测量子模块、4 2 0 m a 电流信号测量子模块、 频率信号测量子模块。信号输入硬件框图如图3 4 所示。 3 3 1 小信号测量子模块 图3 43 类信号输入电路框图 小信号经小信号处理电路转换为便于单片机处理的电压信号。本节以温度、压力的测 量为例进行说明。 1 温度的测量： 本系统采用的温度传感器为集成温度传感器或热电阻。 在集成温度传感器中，作为温度传感部分，都采用一对非常匹配的半导体管做为温敏 差分对管，用它们两个的输出电压之差所具有的良好的正温度系数来制作集成温度传感 第三章通用无线智能传感模块 器。集成温度传感器将温度非电量转换成电信号输出，有两种输出方式，电压输出型和电 流输出型。不论是电压输出型还是电流输出型，输出的电量值与温度都成线性关系。 本系统采用的集成温度传感器是t m p 3 6 ，t m p 3 6 是a n a l o gd e v i c e s 公司的电压输 出型集成温度传感器。它具有低压供电、体积小、线性好、灵敏度高、性能稳定等优点， 电源从十2 7 v 到+ 5 5 v ，测量温度的范围4 0 c + 1 2 5 ，灵敏度1 0 m y ，输出从o v 到 1 6 5 v ，线性输出p ，输出电流小于5 0l aa 。本课题采用的是t 0 - 9 2 封装的t m p 3 6 ，t m p 3 6 测量温度的电路如图3 5 所示。 图中，放大电路的输出端7 脚直接与p i c l 6 f 8 7 7 豹$ f f l ) 输入端相连。调整可调电阻 v r 使当- - 4 0 时采集数字值为0 ，当1 2 0 时采集数字值为1 0 2 4 即可。 图3 5t m p 3 6 测量温度电路罔 t m p 3 6 是基于压性变化测量温度的，而铂热电阻是基丁阻性变化测量温度的，测温 范围为2 0 0 8 5 0 c 。铂热电阻测量温度具有体积小、精度高、响应速度快，测量温度 范围宽等特点，非常适用于高精度测量场合恻 3 3 1 1 抖1 。 铂热电阻测量温度的原理是，当温度变化时，铂热电阻的电阻值发生了变化，如果 铂热电阻两端通过恒流源电流，那么铂热电阻两端电压值就会随电阻值的变化丽线性变 化，即由阻性变化转换成压性变化。 本设计中铂热电阻以选用p t l 0 0 为例说明。 选择p t l 0 0 铂热电阻的原因：铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化 这一基本原理设计和制作的。按0 c 时的电阻值r 0 的大小分为1 0 q ( 分度号为p t l o ) 、1 0 0 q ( 分度号为p t l 0 0 ) 、1 0 0 00 ( 分度号为p t l 0 0 0 ) 等。1 00 铂热电阻的感温元件是用较 粗铂丝绕制而成，耐温性能优于1 0 0 q 的铂热电阻，主要用于6 5 0 。c 以上的温区；1 0 0 q 铂 热电阻的电阻分辨率比1 0q 铂热电阻的电阻分辨率大1 0 倍，对测量仪表的要求相应低一 个数量级，因此在6 5 0 以卜温区应尽量选择1 0 0 q 铀热电阻。基于本系统中当用于测量 气体流量进行温度补偿的考虑，被测温度主要是0 - 4 0 0 。c 的范围，所以选择d t l o o 。 由于p t l 0 0 是阻性变化的温度传感器，要得到正比例的压性变化输出，则需要给它通 以恒定电流，即当流过p t l 0 0 的电流不变时，那么电阻两端的的电压变化值与p t l 0 0 电阻 第三章通用无线智能传感模块 变化值成正比例。 本设计中恒流源选择l m 3 3 4 芯片。 l m 3 3 4 芯片是美国国家半导体公司生产的三端可调恒流源器件，具有1 v 到4 0 v 宽 的动态电压范围，在t 作电流内恒流源可调范围比为1 0 0 0 0 ：1 ，并且具有o 0 2 电流 稳定度，恒流特性很好t 3 5 1 1 3 6 1 。 基本恒流源电路如图3 6 所示。 r t r “1 0r s o t 图3 6 基本恒流源电路图3 7 零温度系数的恒流源电路 恒流源电流计算公式为公式( 3 - 1 ) 所示。 k = 【惫弘s 9 ) _ 鼍竽 限t ， 由上式可知，恒流源只是在恒温时才是恒流的，当r s e t 确定后，i s 盯随温度线性变化。 为得到没有温漂的恒定电流，对图3 6 电路改进，在电路中加入正向电压为负温度系数 漂移的硅管来抵消l m 3 3 4 的温漂，如图3 7 所示。理论上，l m 3 3 4 温漂为+ 0 2 3 m v ；硅二极管正向偏压温漂为2 5 m w * c 。所以采用图3 7 电路只需使r = 1 0 r s e t 左右。 本实验中经实验验证取r s e t = 3 0 0q ，r = 3 9 kq 即可满足要求。 使用p t l 0 0 铂热电阻测量温度的电路如图3 8 所示。 第三章通用无线智能传感模块 i ( 21 图3 8p t l 0 0 测量温度电路图 p t l 0 0 两端输出的电压信号经过差动放大之后，输入单片机的a d 转换通道。差动放 大电路的放大倍数通过可调电阻v r 可以调整，电路能够抑制各种共模干扰。 2 压力的测量 压力的测量一般采用压阻式测量方法。通过压阻式压力传感器感应压力信号，将压力 信号转换成电压信号进行测量。 本设计采用1 5 4 n 型压阻式压力传感器，它具有体积小、结构坚固，可与苛刻介质兼 容的特点。其原型如图3 9 所示。它封装在不锈钢外壳内，不锈钢膜片将压力通过硅油 传递到压力敏感片上，从而得到一个成比例的线性输出。压力传感器有6 个引线端子，各 引线端子定义如表3 一l 所示。 表3 - - 1 引线顺定义 序 1 ( 红)输出+ 2 供电一 3供电+ 4 输出一 5 增益设置电阻 6 增益设置电阻 第三章通用无线智能传感模块 这里我们只用前4 个引线。 图3 91 5 4 n 型压阻式压力传感器 压阻式撮力传感器也是基于阻性测量的传感器i ”i 。其测量电路与p t l 0 0 测量温度的 电路基本相同，唯一差别是压阻式压力传感器有四个接线端子。测量电路如图3 1 0 所示。 u + i c l u d 图3 一l o 压力测量电路 压力传感器输出的电压信号，经过放大电路处理后，输入到p i c l 6 f 8 7 7 单片机 的a d 通道，转换成数字信号，经过单片机的一系列的计算，得到压力值。 3 3 24 - - 2 0 m a 信号测量子模块 本传感模块可以当作以4 - - 2 0 n l a 电流信号为输出的变送器的转换和显示仪表a 测 量4 2 0 m a 电流信号，首先将电流信号转换成单片机直接能接收进行a d 转换的电压信 号，其转换电路如图3 1 l 所示。 第三章通用无线智能传感模块 图3 一l l 电流信号测量原理图 由图3 一可以看出。放大电路7 端电压值与输入电流成线性关系，因此，单片机 的采集值与输入电流信号成线性关系，利用客户给出的满度值，经过一系列的计算可以得 到满足客户需要的工程量值。 3 3 3 频率信号测量子模块 该传感模块主要针对频率输出的传感器如涡轮、涡街流量传感器进行测量。 频率信号一般都比较弱而且混杂着多种干扰信号，所以频率测量电路要对原始频 率信号进行滤波、放大、整形，然后将其输入单片机。频率信号测量电路如图3 一1 2 所示。 图3 一1 2 频率信号测量电路 单片机采集频率信号采用定时计数的方式，以t m r 0 定时，以t m r i 计数脉冲数。 每隔定时1 秒采集一次信号，当1 秒到达后计算t m r l 在l s 内累计的脉冲数。在t i m r l 计数时，采用1 s 前后两次1 6 位计数器( t m r l h ：t m r l l ) 做差的方式计算脉冲数，而 不采取传统的计数完清零的方法，因为这样可提高计数的准确性，不会丢失脉冲，计数差 值即为输入信号的频率。实际程序运行中也发现这种作差方式测量准确，效果很好。 无论输入那种测量信号，信号的采集都是定时1 s 采集一次，采集在中断程序中进行， 由t m r 0 定时o 2 5 s 产生中断，t m r 0 连续4 次中断即达到1 s 定时，此时单片机采集输 入信号，进行智能计算。 第三章通用无线智能传感模块 3 4 组态功能子模块 组态功能子模块的作用是对整个通用无线智能传感模块的功能进行配置，确定传感 模块要测量的信号，没有组态功能子模块配置的数据，程序将不会执行任何功能。通过组 态使该无线智能传感模块可适应多种类型传感器的测量信号，达到通用的目的。 3 4 1 组态 该智能模块有四种组态形式： ( 1 )测量4 - - 2 0 m a 信号。转换成其它形式的量输出，如流量输出。识 别码i t e m = l 。 ( 2 )小信号测量。如测量温度、压力等，识别码i t e m = 2 。 ( 3 )测量频率信号，转换成体积流量输出。识别码i t e m = 3 。 ( 4 )测量频率信号和温度信号，转换成质量流量输出。识别码i t e m = 4 。 按照上面形式组态，说明具体配置的数据 ( 1 )当4 2 0 m a 输入时。 4 2 0 m a 信号为一些变送器的标准输出信号，其输m 信号根据用户的实际场合的需 要对应不同满度值。 置入和选择：a ：满度。( 置入) b ：是否有显示。( 选择) 有显示时，置入显示小数位数。 c ：是否累计。( 选择) 有累积时，累积量的小数位数在程序中根据自动换量程的软件程序 来定位。 d ：无线发送时间间隔( 置入) ( 2 )当小信号输入时 这种输入方式可用于直接测量温度或压力。 置入和选择：a ：满度( 压力满度和温度满度) ( 置入) 如果测量温度，要看用的是否是p t l 0 0 ，如果是p t l 0 0 ，则计算过程是 非线性的，按非线性公式计算，就不用置入满度值。如果不是p t l 0 0 ， 计算过程是线性的，用满度值进行线性计算。 b ：是否有显示。( 选择) 15 第三章通用无线智能传感模块 c ：小数位数。( 压力小数位数或温度小数位数) ( 置入) d ：无线发送时问间隔( 置入) ( 3 )当频率信号输入体积流量输出时。 频率输入对应于工业上进行流量测量输出的数字频率信号。 置入和选择：a ：仪表系数( 置入) b ：是否有显示。( 选择) 如有显示：瞬时流量小数位数( 置入) c ：是否有累积。( 选择) d ：无线发送时间间隔( 置入) 当频率信号输入，质量流量输出时。 置入和选择：a ：仪表系数( 置入) b ：是否有显示。( 选择) 如有显示：瞬时流量小数位数( 置入) c ：是否有累积。( 选择) d ：温度补偿是否用p t l 0 0 测量温度。( 选择) 如不是用p t l 0 0 测量温度，而是用其它线性形式测量，则需输 入满度值。 e ：是否显示温度。( 选择) 将这些数据按照客户要求配置好以后，传送给通用无线智能传感模块的单片机。 3 4 2 硬件握手和软件协议 组态功能子模块配置的数据由计算机通过串行口传送给通用无线智能传感模块的 p i c 单片机。 计算机向传感模块传输数据是通过串1 3 按照r s 2 3 2 标准接口总线实现的。由于计算 机的串口使用的是r s - - 2 3 2 c 电平，p 1 c 单片机使用的足t t l c m o s 电平，为使二者电 平一致，将r s 2 3 2 电平转换成1 v r l 电平。电平转换的芯片选用m a x i m 公司生产的 m a x 2 0 2 ，m a x 2 0 2 是为在缺少1 2 v 电源的情况下进行r s - - 2 3 2 c 与t t l c m o s 屯平 转换而设计的双向转换芯片，供电电源为+ 5 v ，输出的t t l c m o s 电平的逻辑0 的 电压最大为o 4 v ，输出的t t l c m o s 电平的逻辑“l ”的电压最小为3 5 v ，电平转换的 速度的最大值不小于1 2 0 k b p s 。正常工作只需4 个0 1uf 的电容器。电平转换电路在p c 机与单片机之间的连接例m 如图3 1 3 所示。 1 6 第三章通用无线智能传感模块 p c 机 图3 一1 3 电平转换电路与p c 机和单片机之间的连接 使用计算机的9 针串口，本设计只用到串口的4 个引脚，r x 、t x 、g n d 、r t s 。其 巾r t s 用作发送数据的使能信号，经电平转换后与p i c 单片机的i 0 线r c 4 相连，作为 计算机与p i c 单片机的硬握手标志信号，通过计算机控制r c 4 的电平进行工作循环和组 态循环的切换。p i c 单片机检测到r c 4 的电平为高时，驱动程序进入组态循环消息驱动 程序，等待接收配置的数据，并将接收的数据写入到p i c l 6 f 8 7 7 单片机的e e p r o m 中。 当r c 4 电平为低时，驱动程序进入工作循环消息驱动程序，进行信号的测量、显示、存 储等。 计算机与单片机通讯中的数据采用串行异步通讯帧格式：1 位起始位，8 位数据位， 无校验位，1 位停止位。 ! ：叵 二二二二 二i ：一 为保证数据的可靠传输，制定了专门的传输协议。 前导码+ 数据+ 异或校验码+ 尾码 ( 1 ) 前导码：两个a a ，占两个字节。单片机接收到数据后验证是两个a a 后，就准备 接收下面的数据。否则，跳出接收程序。 ( 2 ) 数据：包括识别码、数据长度和配置的其它数据。 识别码表示输入给传感模块信号类型。 0 l 一表示输入4 - - 2 0 m a 电流信号 0 2 一表示输入小信号 0 3 一表示输入频率信号，经过功能转换，计算结果输出体积流量 0 4 一表示输入频率信号，经过功能转换，计算结果输出带温度补偿的质量流量 第三章通用无线智能传感模块 识别码的不同也决定了上位机发送数据的长度的不同。 ( 3 ) 异或校验码：所发送的数据的每l 字节与上1 字节按位异或，得到异或校验码。单 片机收到的数据也进行异或，得到的异或结果与接收到的异或校验码相比较，二者 相等说明接收数据准确，否则接收的数据有误，跳出接收程序。 ( 4 ) 尾码：1 3 h 。单片机对接收的数据进行校验完毕后，继续接收的两个字节的数据如 果是1 3 h ，说明接收数据完毕 单片机接收完数据并验证都正确之后，向配置计算机发送回执信号为 前导码+ o k + 尾码 ( 1 ) 前导码：a a ，a a ( 2 ) o k ，即o 的a s c i i 码和k 的a s c i i 码 ( 3 ) 尾码：两个1 3 h 计算机接收到单片机发送过来的这些信息之后，显示“发送成功”，否则显示“发送 失败”。 3 4 3 计算机组态功能软件设计 计算机配置数据的串行通讯程序，可以使用v i s u a lc + + 中的o l e 控件( o c x ) 开 发，也可以使用v i s u a lb a s i c6 0 中的m s c o m m 控件开发。因为此软件功能单一，为使 程序易懂易作，这里使用v i s u a lb a s i c6 0 实现。v b 是一种可视化的编程语言，其语句是 基于q u i c kb a s i c 开发出来的，简单直接，易于理解，是开发界面最简单的语言。 在v b 编程中要解决的关键问题是如何将计算机r s 2 3 2 通讯串口中的数据传送到 p i c 单片机，在v b 中提供了一个叫m s c o m m 的控件( 由于该控件不是v b 的内部控件， 所以在使用前要在v b 界面的“工程”菜单的“部件”选项中选中m i c m s o f ic o m mc o n t r o l 6 0 ) 。该控件的属性设置如下：c o m m p o r t ( 端1 2 1 号) 设置为l ，i n p u t m o d e ( 返回数据 类型) 选为c o m l n p u t m o d e b i n a r y ( 二进制类型) ，s e t t i n g s 设置为9 6 0 0 ，n ，8 ，1 。 首先扣开串行端曰，并置发送数据使能位： m s c o m m l c o m m p o r t = 2 m s c o m m l s e t t i n g s = ”9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ” m s c o m m l p o r t o p e n = t r u e m s c o m m l r t s e n a b l e = f a l s e 这样就可以传送数据了。控件的i n p u t m o d e 的属性根据数据的实际情况可以设置 c o m l n p u t m o d e t e x t 或c o m l n p u t m o d e b i n a r y 两种格式，即数据可以文本或二进制格式传 送| ：4 i 】| ：4 2 】。本设计选择二进制格式传送。程序编制完成后的配置数据的界面图如图3 一1 4 。 第三章通用无线智能传感模块 3 4 4 传输数据的格式 图3 一1 4 组态功能子模块的界面图 数据是以二进制格式传送的，具体数据的转换是一个问题。整数比如9 6 0 0 ，或者浮 点数比如3 4 5 6 7 ，都要转换成二进制格式发送。考虑到组态功能子模块是基于通用性设 计的，也就是说，组态功能子模块还可用于给具有相同功能的其它类型的单片机配置数据， 因此要求传送的数据为标准格式，具有通用性。对于整数，化成十六进制数( 即四位二进 制) 传送。但是对于浮点数转换成二进制格式，这是组态功能子模块需要解决的一个难