基于profibus-dp总线的传感器标定系统数据系统设计

课程设计（论文）指导教师成绩评定表另有设计图纸CADPROEQQ275673028题目名称基于PROFIBUSDP总线的传感器标定系统数据系统设计评分项目分值得分评价内涵01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。工作表现2003课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。能力水平3508对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。成果质量4511创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名年月日摘要在传感器的设计、制造、使用过程中,随时间和周围环境的变化,其参数也会有所变化,需对其特性进行定期标定。传感器的静态特性标定中,主要是对测试数据进行处理,以计算其线性度、灵敏度等参数。传统的手工方法费时费力,易出错。针对这一问题,用数据采集卡进行数据采集,提高了数据采集的速度和精确度,用的单片机对相应的数据进行处理,实现了测试数据的规范化。传感器静态特性的标定,介绍了系统的工作原理和数据处理软件。数据处理单元与多个现场采集器为点对点的串行通信方式，在数据处理单元内部，各个通道的数据CPU进行处理，处理的结果以串行方式送入监控主机；同时在采集单元与处理单元，处理单元与计算机之间采用PROFIBUSDP总线进行数据的传送；对于采样的数据，通过可编程键盘/显示接口8279芯片对数据进行显示，筛选，转存。关键词数据采集处理系统；单片机（8031）；PROFIBUSDP总线；静动态特性标定ABSTRACTINTHEPROCESSOFTHESENSORDESIGN,MANUFACTURE,USE,ALONGWITHTHECHANGEOFTIMEANDTHESURROUNDINGENVIRONMENT,ITSPARAMETERSWILLALSOCHANGE,NEEDREGULARCALIBRATIONONTHEIRCHARACTERISTICSINTHECALIBRATIONOFSENSORSSTATICCHARACTERISTIC,MAINLYTODEALWITHTESTDATA,TOCALCULATETHEPARAMETERSSUCHASLINEARITY,SENSITIVITYTHETRADITIONALMANUALMETHODTIMECONSUMING,ERRORPRONEINORDERTOSOLVETHISPROBLEM,USINGDATAACQUISITIONCARDFORDATACOLLECTION,IMPROVESTHESPEEDANDACCURACYOFDATACOLLECTION,USINGSINGLECHIPMICROCOMPUTERTODEALWITHTHECORRESPONDINGDATA,REALIZEDTHESTANDARDIZATIONOFTHETESTDATACALIBRATIONOFSENSORSTATICCHARACTERISTICS,THEPAPERINTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEANDDATAPROCESSINGSOFTWAREOFTHESYSTEMDATAPROCESSINGUNITANDMULTIPLESITECOLLECTORFORPOINTTOPOINTSERIALCOMMUNICATIONMODE,THEDATAPROCESSINGUNIT,DATAOFEACHCHANNELPROCESSING,CPUPROCESSINGRESULTSINSERIALWAYINTOMONITORINGHOSTINTHEACQUISITIONANDPROCESSINGUNITSATTHESAMETIME,THEPROCESSINGUNITANDTHECOMPUTERUSEOFPROFIBUSDPBUSFORDATATRANSFERFORDATASAMPLING,THROUGHTHEPROGRAMMABLEKEYBOARD/DISPLAYINTERFACECHIP8279,ACCORDINGTOTHEDATAFILTERANDARCHIVEDKEYWORDSDATAACQUISITIONPROCESSINGSYSTEMSINGLECHIPMICROCOMPUTER8031PROFIBUSDPBUSSTATICCHARACTERISTICCALIBRATION目录摘要IABSTRACTII目录III第一章引言11PROFIBUSDP总线的功能简介12传感器标定数据采集系统的组成13传感器标定数据采集系统的应用领域及发展前景第二章概述21单片机的组成22单片机的分类23单片机的特点第三章传感器标定数据采集系统的硬件组成31传感器标定数据采集系统的结构32数据处理器33测量放大器3474LS244隔离器35PROFIBUSDP总线36键盘/显示控制器827937键盘，显示器工作原理第四章数据采集系统的软件实现41PROFIBUSDP总线数据接收与发送41数据接收器接收，发送数据42数据处理器接收数据43主处理器执行中断44键盘显示电路结束语参考文献附图第一章引言PROFIBUS（PROCESSFIELDBUS的缩写）是由西门子等公司开发的一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准。先后成为德国和欧洲的现场总线标准（DIN19245和EN50170）,并于2000年成为IEC51158国际现场总线标准之一,2001年成为我国机械行业标准JB/T1030832001。PROFIBUS现场总线由三部分组成PROFIBUSFMS、PROFIBUSDP和PROFIBUSPA。FMS主要用于车间级控制网络,是一种令牌结构和实时多主网络DP是一种高速的低成本通信连接,用于设备级控制系统与分散式通信PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案,具有本质安全特性,它实现了IEC11582规定的通信规程1。PROFIBUSDP主要用于现场设备之间的通信,有较高的实时性,数据传输速率为96KBIT/S12MBIT/S,响应时间为几百微秒到几百秒,传输技术主要用RS485,DP从站能够接收PLC或DCS等主站控制数据,构成一个数字化、智能双向、多点的现场总线通信网络,实现最优控制而且DP智能从站具有可靠性和性价比高的特点,因此开发智能化DP从站具有巨大的前景。12传感器标定数据采集系统的组成传感器标定数据采集系统的主要内容通常包含硬件（连同单片微机在内的全部电子线路），软件（包括监控管理程序及各功能模块应用软件）及结构工艺等三部分组成。一般的数据采集系统由数据采集单元，A/D转换单元，D/A转换单元，数据传输单元，数据处理单元，键盘/显示电路等几部分组成。13传感器标定数据采集系统的应用及发展前景传感器标定数据采集系统的应用范围非常广泛。随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。微弱信号处理技术随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向主要由1）系统抗干扰性保证获得的数据较精确。如可设计一个数据采集器，它除了正常的低通滤波，RC滤波外，还可用PHOTOMOS光继电器对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。2）实时通信保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如采集现场与处理单元距离用PROFIBUSDP总线。3）高速数据采集一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高速，高性能的A/D转换相适应。4）低功耗性适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。第二章概述21单片机的组成所谓单片机就是单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）,单片微型计算机的核心是微处理器MPU，与一般微型计算机所不同的是它将微处理器，内存，I/O接口，中断逻辑，定时器/计数器等集成到一个集成电路芯片上，有的单片机还集成了A/D，D/A转换器等电路，如图21所示。这种结构特别使用于测控领域，因此，也称其为微控制器（MICROCONTROLLER）,简写为MCU，但国内大多数人习惯上都叫单片机。图21单片机的组成框图22单片机的分类常用的单片机分类方法有两种，一是按字长分类，二是按用途分类。221按字长分类根据单片机对各种基本操作处理的数据来看，单片机有4位单片机，8位单片机，32位单片机和64位单片机等。14位单片机4位单片机的主要生产国是日本，如SHARP公司的SM系列，东芝公司的TCLS系列，NEC公司的UCOM75系列等。此外，还有美国TI公司的TMS1000和NS公司的COP400系列。国内也早已能够生产COP400系列的4位单片机。4位单片机的主要特点是价格便宜，但功能并不弱，只是CPU为4位。其片内存储器有2KBROM，128B4的RAM等。NEC公司的UPD75的片内ROM可达8KB，RAM为512B4，还带有6位A/D转换。目前，4位单片机主要用于控制诸如洗衣机，微波炉等家用电器及高档电子玩具。28位单片机8位单片机是目前单片机中的主流机型。在8位单片机中，一般把无串行I/O接口和只提供小范围的寻址空间（小于8KB）的单片机称为低档的8位单片机，如INTEL公司MCS48系列和FAICHILD公司的F8就属于此类；把带有串行I/O接口或A/D转换以及进行64KB以上寻址的单片机，称为高档的8位单片机，如INTEL公司的MCS51系列，MOTORALA公司的MC6810，ZILOG公司的Z8等。近年来，在高档8位单片机的基础上又出现了超8位单片机，如INTEL公司的UPI452，83C152，ZILOG公司的SUPER8，MOTOROLA公司的MC68HC11等。它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，而且还增加了高级通信，DMA传送和高速I/O功能。另外，由于8位单片机的功能强，价格低廉，品种齐全，因而被广泛应用于各个领域。特别是高档单片机的主要机型。316位单片机16位单片机主要有THOMOSON公司的68200系列，INTEL公司的MCS96系列，NS公司HPC16040和NEC公司的783等。而得到实际应用的16位单片机主要是INTEL公司的MCS96系列单片机。432位单片机32位单片机首推英国INMOS公司的IMS414DPJI，它是目前并行处理位数最高的单片机之一。564位单片机64位单片机的处理能力是任何32位单片机都无法达到的。目前，SPERH，MIPSTECHNOLOGIES东芝等厂商还是准备将64位单片机微处理器内核推向嵌入式系统市场。222按用途分类按用途分类，可将单片机分为通用型单片机和专用型单片机两种。1通用型单片机将资源全部提供给用户使用，如片内寄存器，存储器，中断系统，定时器/计数器，I/O接口等。其适应性强，扩展容易，构建各种应用系统十分灵活，应用广泛。如MCS51系列单片机。2专用型单片机针对各种特殊应用场合而专门设计的单片机。如生产过程控制，数据采集与信号处理等。它们通常是微控制系统的集成化产品。TMS320系列就是专门用于数字信号处理的单片机（也称DSP芯片），他的指令周期短，运算速度和精度高。23单片机的特点由于单片机是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了微型计算机的主要功能单元，本身就是具有一定规模的计算机，因此，其紧凑的结构，小巧的形体在许多应用场合是其他类型的计算机所不能比拟的，其特点归纳如下1形小体轻功耗低如前所述，单片机就是一个计算机芯片，在这个芯片上集成了计算机的基本功能部件，甚至是构成技术应用系统的各功能部件。因此，其集成度相当高，而这个芯片的尺寸与普通的集成块是一样的，那么形小体轻自然不用说了。而且，由于单片机大量用于便携式产品和家用电器，设计时专门考虑了低电压，低功耗环境。如许多单片机可在22V甚至12V或09V电压下工作，其功耗可降低至UA级，一颗纽扣电池供电可以使用很长时间。另外，由于集成度高，抗干扰能力强，其本身的可靠性也相当高。2能强，运算速度快，性价比高单片机在构成测控系统，电器控制装置，智能仪器等方面与其他微型计机相比有特别明显的优势，在设计软件，硬件资源时充分考虑了这方面的功能，如指令系统中具有丰富的程序分支转移，布尔处理和逻辑控制命令，有定时器，中断系统，I/O接口，各种控制寄存器等丰富的硬件资源。单片机特有的结构形式，提高了运算速度。有的单片机还采用了RISC和DSP技术，进一步改善了运行效率。随着各种新技术的不断发展，各厂商在提高单片机性能的同时进一步降低价格，性能价格比成为竞争焦点之一，因此，从总体上讲单片机优于普通的微处理器。而单片机价格可降低至05美元。3应用系统研制周期短，软，硬件开发灵活方便由于单片机有丰富的内存和I/O接口等功能单元，可直接与外围电路或芯片连接，编写简单程序就可以构成应用系统。而且利用简单的开发工具就可以在应用环境下进行软件，硬件调试，修改也十分方便。调试成功后即可成为实际的应用系统。因此，研制应用系统的时间可减到最短，其开放性的灵活扩展功能使软，硬件开发变得简单，也易于掌握。另外，为防止因突然掉电造成信息丢失或损坏，单片机基本上都设计了备用电源引脚，可以很方便地接入备用电源，以利保护信息。第三章传感器标定数据采集系统的硬件组成31传感器标定数据采集系统的结构整体设计方案图31以8031单片机构成的传感器标定系统数据系统在实际应用中，采用波特率为9600BPS，数据桢为1位起始位8位数据位1位停止位数据交换时，主机呼叫从机地址，从机向主机发送本机数据。主机呼叫时，发出长度为1个字节数据（即从机地址），从机应答时向上传送3个双字节数据，数据格式为如图（32）AA数据，图32数据格式即7个字节。假定在理想情况下，主机呼叫，从机立即回应，则主机完成与一个从机的数据交换最少需（71）101/96008333MS（忽略数据桢之间的间隔和从机的地址判断即通信转移时间）。假设采集系统中有4个采集单元，那么主机遍历一次所有采集单元至少需要33332MS。当传送数据长度增加或数据采集单元增加时，遍历时间延长。实际上，在程序运行过程中数据交换所花费的时间远远大于理论计算植，这样就使主机的实时性降低。当主机接收数据采用中断方式实现的，会造成程序运行效率低，甚至造成“假死机现象”运行长时间停滞再运行，致使采集处理系统无法正常运转。311主从式结构分散采样，集中处理该方案较好地解决了系统的实时性问题即主从式结构从机工作在现场状态的数据采集单元仍然是以CPU为核心的智能单元，以串行方式发给数据处理单元；主机主机的任务是系统管理，初值设定，通过串行通讯接口向从机发送各种命令和初值，接收从机发送来来的数据，对数据进行运算处理，输出最终结果。数据处理单元与每个采集单元之间以点对点的方式收发数据，每一路数据有一个独立的收发单片机，以并行传送方式与数据处理单元主处理器进行信息交换。由于各路数据收发独立，且并行传送时间短，由前端数据采集单元的数据到数据处理单元的传送时间主要取决于串行通信所用的时间，以9600BPS传送7个字节数据的时间7101/96007292MS，各路传送并行工作，主处理器几乎可以同时获取数据，当数据采集器采样间隔不低于20MS时，该方案的数据处理具有较好的实时性。数据处理单元与监控计算机（PC机）之间采用串行通信方式传输信息的形式有两种实时和随机。数据处理单元接收到采样数据后，进行相应的处理，如工程量转换，显示，报警，定时将工程量测量值上传给监控计算机，当出现异常情况如测量值超过报警值或采样系统出现故障等情况时，即刻上传故障信息。在监控计算机上对数据进行记录，存储，析及监控。312硬件组成如图33所示，数据采集处理系统由单片机数据处理单元，总线隔离器单元，AD转换器，数据采集单元组成。1数据采集单元现场的数据采样和滤波处理由8031和14位AD679组成的数据采集单元完成。经过预处理的数据，由串行口发送端TXD发出，在硬件上要用A/D转换器输出的信号转换成PROFIBUSDP总线信号规则进行传送。2数据处理单元数据处理单元采用8031单片机，它具有8K的FLASHROM，可以满足键盘管理，测量计算值显示，工程量转换以及通信管理等程序容量的要求。数据隔离器数据隔离器采用芯片74LS244，74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器，主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等3PROFIBUSDP总线单片机带有的一个全双工串行通行口提高了单片机以及带串行口的外设的数据交换能力。单片机串行口输出电平TTL电平兼容且单线传输导致传输距离短和通信速率慢，等缺点。为克服这些缺点，所以在单片机串,行通信系统中采用PROFIBUSDP总线通信方式。4键盘显示单元用可编程键盘/显示接口8279芯片与键盘，七段数码管显示器的连接实现对采集的数据进行显示，对符合标准的采集的数据进行存储。5PROFIBUSDP总线与单片机8031的连接电路图32数据处理器在本数据采集系统中，采用了8031数据处理器芯片。单片机芯片的引线有两种40条引线的8031（8032），8051/52，8751/52，89C51/52和20条引线的89C2051，89C1051。3218031处理器数据处理器采用8031单片机。如图34所示图348031单片机引脚图指令系统的8031单片机是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的8031单片机可以提供许多高性低比的系统控制应用领域。8031有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，8031可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。8031有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。1I/O引脚和I/O端口P07P00P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时，它是数据总线和地址总线低8位分时复用的接口；在EPROM编程是，他接收指令字节；在验证程序时，输出指令字节，并要求外接上拉电阻。P17P10P1口是带有内部上拉电阻的双向I/O口，它是通过I/O端口。在EPROM编程和程序验证时，它接收底8位地址。P27P20P2口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它输出高8位地址；在对EPROM编程和程序验证时，他接收高8位地址。P37P30P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，它是双功能I/O端口。除基本输入/输出功能外，每个引脚还有专用功能。其专用引脚功能见表31所示。表31P3口引脚专用功能2复位引脚复位操作是计算机系统经常进行的操作，即使其软，硬件回到初始状态，准备工作。复位引脚RESET复位功能RST单片机的复位是靠外部电路实现的。在震荡信号正常运行情况下，只要RST引脚保持两个机器周期以上的高电平，系统就能复位。理论上按主频2MHZ12MHZ计算，复位高电品持续时间T。T2S12S复位状态复位状态就是单片机复位后内部寄存器及引脚的初始数据或初始电平。MCS51系列弹片机复位后内部各寄存器的状态如表32所列。表328031单片机复位后内部寄存器的内容寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOD00HI/O口线专用功能P30RXD串行数据接收P31TXD串行数据发送P32（外部中断0请求输入）P33（外部中断1请求输入）P34T0（定时器0外部计数脉冲输入）P35TI（定时器1外部计数脉冲输入）P36（外部数据存储器写信号）P37（外部数据存储器读信号）A00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIPXXX00000HSBUF不定IE0XX00000HPCON00H另外，复位时，ALE和配置为输入状态，即ALE1，1。内部RAM不受复位的影响。3控制引脚8031单片机的控制引脚有一部分占用P3口线，前面已经介绍，另一部分是单独的引脚，介绍如下。1ALE/地址锁存/编程脉冲引脚，输入/输出1ALE功能地址锁存信号，输出。给应用系统中的地址锁存器提供锁存控制信号，实现地址/数据分时复用。时序图中已表明，在每一个机器周期（MOVX指令除外）出现两个ALE正脉冲，当ALE为高电平时，地址锁存器的输出随输入变化（这时P0口输出的是低八位地址信息）；当ALE由高电平变成低电平时，锁存器将地址锁定，即输出不再随输入变化（P0口可传送数据信息）。另外，ALE信号还可作为应用系统中频率要求较低的其他部件的时钟信号，计数信号等（但要注意若程序中执行了MOVX指令，ALE会出现不均匀的情况）。2功能片内程序存储器编程脉冲，输入。对于EPROM型单片机，在对片内程序存储器编程时，该引脚输入编程脉冲信号。2外部程序存储器读信号，输出，低电平有效由于8031单片机外部程序存储空间和外部数据存储空间是独立的，但地址是重叠的，因此除了在指令上加以区分外，控制信号也有所不同。前面介绍的RD，WR是用于读/写数据存储器的，而PSEN是用于读程序代码的，它在应用系统中接程序存储器的读控制端。在访问外部程序存储器时，在每个机器周期，PSEN两次有效。3/VPP内部程序存储器选择/编程电压引脚，输入。这是一个双功能引脚1功能接地。2VPP功能片内程序存储器编程电压。对于EPROM型单片机，在对片内EPROM编程时VPP引脚输入21V的编程电源电压。4主电源引脚1VCC5V工作电压。正常工作时VCC引脚接5V电源电压。2VSS接地端。正常工作时VSS引脚接地。5时钟引脚XTAL1和XTAL2是8031单片机的时钟引脚，两引脚连接于单片机内部的一个高增益反向放大器，用于与外部震荡源一起构成震荡电路，其中XTAL1为该放大器的输入引脚，XTAL2为该放大器的输出引脚。表33主要功能特性指令系统8K可反复擦写1000次）FLASHROM32个双向I/O口256X8BIT内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率024MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能33测量放大器测量放大器，在数据采集系统中，被测量的物理量经过传感器变成模拟电信号，往往是很微弱的微伏级信号。则需要放大器加以放大。现在市场上可以采购的各种放大器（如，通用运算放大器，测量放大器等），由于通用运算放大器一般具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，因此通用放大器不能直接用于放大微弱信号，而测量放大器则能较好地实现此功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的起见，由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。测量放大器的电路原理如图33所示有两级运放第一级两个同相放大器A1、A2输入阻抗高。第二级普通差动放大器A3。测量放大器的增益由上式可知，调节外接电阻的大小，可以改变测量放大器的增益。抗共模干扰能力对直流共模信号，其抑制比为无穷大。对交流共模信号，由于输入信号的传输线存在线阻RI1、RI2和分布电容C1、C2，RI1C1、RI2C2分别对地构成回路。如图34所示。351210RUKGII当R1R2时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的，故C1、C2的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。测量放大器的主要技术指标1非线性度放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。2温漂测量放大器输出电压随温度变化的程度。一个温漂2V/的测量放大器，当增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20MV的变化。这个数字相当于12位AD转换器在满量程为10V的8个LSB值。应尽量选择温漂小的测量放大器。3建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。当增益200时，为达到误差范围001，往往要求建立时间为50S100S。4恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。5电源引起的失调电源电压每变化1，引起放大器的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。6共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式计算测量放大器集成芯片INCMLOG20UCMRAD521是集成测量放大器，采用14脚双列直插式封装。图36AD521基本连接方法引脚10，13用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。当RS100K15时，可以得到比较稳定的放大倍数。引脚2，14用于外接电阻RG，用于调整放大倍数。测量放大器的放大倍数按如下公式计算123456714131211098AD521ININOFSETUOFSETOUTPUTRGRSSENSEREFCOMPURSRG功43AD521功功GSINOUT其放大倍数可在11000的范围内调整。3474LS244隔离器74LS244是8位3态总线驱动器，如图36。外设输入的数据和状态信号，可以通过数据输入3态缓冲器或3态总线驱动器经数据总线传送给微处理器。8个数据输出端1Y11Y4，2Y12Y4与微型计算机的数据总线相连，8个数据输入端1A11A4，2A12A4与外设相连。加到输出允许1G和2G的负脉冲将数据输入端的数据送至数据输出端。执行MOVX（IN）指令时，微处理器发出读寄存器信号，该信号通常是端口地址和读信号RD产生的。将读寄存器信号接至74LS244的输出允许端，MOVX指令就把3态缓冲器74LS244数据输入端的数据，经数据总线输入到累加器A中。图3674LS244三态总线驱动器表35引脚功能35PROFIBUSDP总线单片微机应用系统中，通常把具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号称为数据信息。数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台机器传送到另一台机器。这里1A2A数据输入1Y2Y数据输出1A1Y输出允许2A2Y输出允许的机器可以是计算机、PLC或具有数据通信功能的其他数字设备。数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机、PLC或其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理三项任务。数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议、通信软件等组成。351数据传输方式按时空顺序分为以下两类（1）并行传输，数据在多个信道同时传输，用于近距离传输。（2）串行传输，数据在一个信道上按位顺序传输。按是否搬移和调试信号分为以下两类（1）基带传输（2）频带传输图41三种调制方式示意图352串行通信的两种同步技术异步传输也称起止式传输，每一个传输的字符都有一个附加的起始位和多个停止位。同步技术把每个完整的数据块（帧）作为整体来传输，由定时信号（时钟）来实现与发送端同步。同步传输以字节为单位，每次传送12个同步字符、若干个数据字节和校验字符。通过调制解调的方式在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方同步的接收时钟信号，如图41所示。353线路通信方式（1）单工通信方式。单工通信是指信息的传送始终保持同一个方向，而不能进行反向传送，如图42（A）所示。（2）半双工通信方式。半双工通信是指信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻只限于一个方向传送，如图42（B）所示。（3）全双工通信方式。全双工通信能在两个方向上同时发送和接收，如图42（C）所示。A端和B端双方都可以一面发送数据，一面接收数据。图42线路通信方式354传输速率传输速率是指单位时间内传输的信息量，传输速率（又称波特率）的符号为BIT/S。在数据传输中定义有三种速率调制速率、数据信号速率和数据传输速率。（1）调制速率。通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。（2）数据信号速率。数据信号速率是单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（BITPERSECOND），用BIT/S表示。（3）数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传输的数据量，通常以字符/分钟为单位。355差错控制由于通信设备可以达到较高的可靠性，因此一般认为数据通信的差错主要来自于数据传输信道。以下将简单介绍差错控制的常用方式和编码。（1）差错控制方式。差错控制方式是对传输的数据信号进行错误检测和错误纠正。可以分为以下4种方式。自动检错重传（ARQ）。前向纠错（FEC）。混合纠错（HEC）。不用编码的差错控制。（2）常用的几种检错码。奇偶校验码。它是以字符为单位的校验方法。一个字符一般由8位组成，低7位是信息字符的ASCII，最高位是奇偶校验位。由于奇偶校验码只需附加一位奇偶校验位编码，效率较高，因而得到了广泛应用。循环冗余校验（CRC）码。采用CRC码时，通常在信息长度为K位的二进制序列之后，附加上RRNK位监督位，组成一个码长为N的循环码。356传输介质目前，普遍使用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆。其他介质如无线电、红外线、微波等在PLC网络中应用很少。其中双绞线（带屏蔽）成本低，安装简单；光缆尺寸小，重量轻，传输距离远，但成本高，安装维修需专用仪器。具体性能比较如表51所示。表51传输介质性能比较357串行通信接口标准串行通信的连接接口与连线电缆是直观可见的，它们的相互兼容是通信得以保证的第一要求。358PROFIBUS（过程现场总线）是目前最成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。为数众多的生产厂家提供了优质的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择最合适的产品。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接收信号并给予响应，但没有控制总线的权力。当主站发出请求时，从站回送给主站相应的信息。PROFIBUS除了支持这种主从模式外，还支持多主多从的模式。PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，第1层为物理层，定义了物理的传输特性；第2层为数据链路层；第36层PROFIBUS未使用；第7层为应用层，定义了应用的功能这种简化的结构确保了PROFIBUSDP的快速、高效的数据传输。用于设备级自动控制系统与外围的设备之间的通信连接。PROFIBUSDP协议结构符合国际标准化组织开放系统互联参考模型，它使用了其中的第1层、第2层及用户接口，第3到第7层未用。中继器可以延长网络通信的距离，允许加入网络设备，每个中继器可以另外加入32个设备。网络中最多可以使用9个中继器。图68所示的DP网络是多主多从的系统配置。图39西门子PLC构成的DP网络系统PROFIBUSDP系统组态可分为带DP口的主站系统，采用通信模板CP的主站系统以及带智能从站的DP系统。三种DP系统中带DP口的主站系统，采用通信模板CP的主站系统在硬件组态时基本相同。总线控制方法决定一个节点何时可以发送数据。原则上任一时间只有一个节点有权发送数据。36键盘/显示控制器8279键盘和7段显示器可以直接使用单片机8031的并行口或者用74LS273和74LS244，并行接口芯片8255连接。用上述接口方法，对键盘和显示器的扫描是由软件实现的，不但程序比较复杂，更不利的是占用CPU很多时间。若采用专用的可编程键盘/显示控制器8279与微型计算机接口，则由8279对键盘和显示器进行自动扫描，可充分提高CPU的工作效率。3618279的主要功能INTEL8279可以显示8位或16位LED显示器，可以和具有64个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现多种工作方式。8279的主要功能如下（1）键盘与显示器能同时工作；（2）扫描式键盘工作方式；（3）扫描式传感器工作方式；（4）用选通方式送入输入信号；（5）带有8字符的键盘先入先出存储器（FIFO）（6）触点回弹时两键封锁或N键巡回；（7）双排8字或16字节显示器；（8）可右入或左出的16字节显示RAM；（9）工作方式可由CPU编程；（10）可编程扫描定时，键盘送入时有中断输出。362INTEL8279的管脚图388279引脚8279采用40引脚封装，其管脚与逻辑符号如图38。起引脚功能分述如下DB0DB7双向缓冲器总线，与CPU总线连接，用于在CPU和8279之间传送命令，数据和状态信息。CLK时钟输入线，为8279提供内部定时时钟。RESET复位线，当输入高电平时，8279复位。其复位状态为16个字符左入显示编码扫描键盘双键封锁；时钟为31分频。CS片选信号，当输入低电平时，允许对8279进行读写操作，否则禁止。A0数据缓冲器地址输入线。A01时，选择命令或状态寄存器，A00时，选择数据寄存器。RD，WD读写控制线，低电平有效。IRQ中断请求线，高电平有效。在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM有数据是（有键闭合），IRQ变为高电平向CPU请求中断。当CPU读出FIFO中的数据时，IRQ变低，若RAM中还有数据，IRQ在读出后又返回高电平，直至FIFO中数据被读完，该线复位。在传感器工作中，每当检测到传感器状态变化时，IRQ就出现高电平。VCC，VSS电源线（5V），地线SL0SL3行扫描输出线，用来扫描键盘和显示器。扫描分为译码方式和编码方式的输出波形图。RL0RL7回送线，内部有有源提升电路，以保持高电平，有键闭和为低电平。在选通工作方式中，也可以作为一般的数据输入端。SHIFT字型变换输入线，在键盘方式时，用于扩充键的功能，可以用作键盘的上下档功能键。在传感器方式和选通方式下，该信号无效。CNTL/STB控制/选通输入线。在键盘方式下，通常用来扩充键的功能。在选通输入方式时，该信号的上升沿将锁存RL0RL7的信号。在传感器方式，该线无用。OUTA0OUTA3A组显示输出线（显示RAM高4位）。OUTB0OUTB3B组显示输出线（显示RAM低4位）。这是两个164显示刷新寄存器的输出端。依次显示RAM的内容送到端口上，并与扫描线（SL0SL3）同步。两个端口可分别使用，也可合起来作为一个8位端口。BD显示熄灭信号，该信号在数字切换或使用熄灭命令时，输出为低电平。37键盘，显示器工作原理371键盘的分类1按制作工艺分，可将键盘分为硬板键盘和软板键盘硬板键盘带弹簧的按键焊接在印刷电路板上所做成的键盘。软板键盘以导电橡胶作为接触材料放在以聚脂薄膜作为基底的印刷电路上所形成的键盘。2按工作原理分，可将键盘分为编码键盘和非编码键盘编码键盘主要用硬件实现对每个按键的定义和识别。非编码键盘主要用软件实现对每个按键的定义和识别。372键盘的工作原理微机系统中最常用的键盘是非编码键盘，非编码键盘又可以分为线性键盘和非线性键盘。1线性键盘每个键对应I/O端口的一位，没有按键闭合时，各位均处于高电位；当某键被按下时，对应位与地接通，则为底电位，而其他仍为高电位。因此，CPU通过读入I/O端口数据并判断哪一位为“0”，即可知哪一个键按下，从而转到相应功能的处理程序去执行。可见，线性键盘硬件简单，但只适合按键不多的情况。若按键太多（十几个或几十个），则占用I/O端口线过多，会造成系统硬件资源紧张。2矩阵键盘如图所示。把若干个按键排列成矩阵形式，每一行和每一列都占用I/O端口的一位。为简单起见，这里只画了4行3列，共12个按键。图中行线为A0A3，列线为B0B2。对于矩阵键盘，用键盘扫描程序来识别按键的方法通常有两种，即行扫描法和行反转法。还可以通过中断扫描方式实现按键的识别。（3）扫描法，硬件连接如图在键盘扫描程序中，每次使某一行为“0”，其余行为“1”，读回列线状态，并判断。若列线全为“1”，则无键按下；若列线不全为“1”，则说明为“0”的列线与为“0”的行线相交的键被按下。（4）反转法在键盘扫描程序中，首先使所有行线全输出“0”，然后读取列线状态，并判断。若列线全为“1”，则无键按下；若列线不全为“1”，则将刚读回的列线状态从列线输出，并读取行线状态，那么，说明为“0”的行列相交的键被按下。最后，CPU根据行列编码所构成的键值转相应功能程序执行。373LED数码管显示器的工作原理由于CPU可向LED数码管输出任意二进制段码，故不像一般数字系统那样在LED前要接译码器。但在微机系统中CPU或接口的输出电流有限，不足以使LED发亮或亮度不够。因此，输出的段码需经过驱动才能送给LED。常用于LED的驱动器如7407/7406同向/反向驱动器，75452二输入与非驱动器等。锁存器可用74LS273，74LS373，74LS244等集成电路。另外系统有多位LED，则每次只能使一位LED显示信息，每位LED上有一选通端（公共端）。要想使哪位显示，就应给其公共端提供有效电平（共阳极为“1”，共阴极为“0”），而给其它位的公共端提供无效电平。这样构成的二进制编码称为位码或位选码。还需注意，在多位LED显示中，既要使每一位的显示信息有一个持续时间，可用循环延时程序实现，又要保证一遍一遍地进行循环时不出现闪烁，在软，硬件设计时就要考虑LED的位数不能太多，显示的延时要适中。多位LED在系统中循环轮流显示，称为动态显示系统。第四章数据采集系统的软件实现基于多MCU通信的实时数据采集处理系统的设计由监控计算机单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。41PROFIBUSDP总线的数据接收与发送由于SPC3集成了完整的PROFIBUSDP协议，因此8031不用参与处理PROFIBUSDP状态机8031的主要任务就是根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站发出的输出数据转存，组织要通过SPC3发给主站的数据，并根据要求组织外部诊断等。主程序流程图如图41所示。其中的SPC3初始化包括设置SPC3允许的中断写入从站识别号和地址，设置SPC3方式寄存器，设置诊断缓冲区，参数缓冲区，配制缓冲区，地址缓冲区，初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针。根据传输的数据长度确定输出缓冲区，输入缓冲区及指针。中断程序如图42所示图41SPC3主程序流程图图42中断程序流程图42数据接收器接收，发送数据数据接收器采用8031单片机，与现场数据采集单元以串行通信模式工作，固定数据交换长度为7，帧格式定义为，如图22所示，其中OAA为数据块的块头，表示一个数据块的开始，一旦接收到一个数据块，则去掉块头，并将数据存入本机RAM的数据缓冲区，然后将P320向主处理器发出中断请求，中断请求得到响应后，首先主处理器回复数据接收器请求P140，数据接收器检测到回复信号（P330）后，置位P321,清除本次请求，并开始数据传送。同时，主处理器将相应的总线隔离器打开，使它与该接收器建立并行数据通信通道，待传送完毕后，同时主处理器关闭通信通道，解除与该接收器的连接，数据接收器的数据传送过程如图32所示。若在下一个数据块到来时，主处理器还未响应中断，则有新数据代替原数据，开始下一个周期的中断申请。程序1下面为数据接收器接收采样数据的程序RECEIVEMOVTMOD,32定时器T1，为方式2MOVTL1,0FDH装载MOVTH1,0FDHSETBTR1允许T1工作MOVSCON,40H串行口方式1MOVR0,50H接收数据放50H56HMOVR7,7；接收7个字节JBCRI,；等待接收，RI1，则结束等待NEXTMOVA,SBUF接收数据送AMOVR0,A；接收数据送RAMINCR0；调节指针地址ANLA,55H；R0中内容是否为0AAHJZNEXT1DJNZR7,NEXTR7不为0，则转移CLRF1；清溢出标志SJMP；回等待中断状态SETBP32CPLP32NEXT1MOVA,R7ANLA,0F8H；R7是否为7JZNEXTRET程序2数据接收器向主处理器发送数据RECEIVEMOVTMOD,32；定时器T1，为方式2MOVTL1,0FDH；装载MOVTH1,0FDHSETBTR1；允许T1工作SETBEA；允许CPU中断CLRES；不允许串行中断MOVSCON,40H；串行口方式1MOVR0,50H；传入数据放50HMOVR7,7；传送字节数JBCRI,；等待接收，RI1，则等待结束NEXTMOVA,SBUF；接收数据送AMOVR0,A；送50HINCR0ANLA,55H；字节是否为“0AA”JZNEXT1DJNZR7,NEXT；未传送完，则继续传送MOVR6,6CLRTF1；清除溢出标志CLRP32JNBP33,SEND；判断CPU是否中断NEXT1MOVA,R7；判断是否为首字节ANLA,0F8HJZNEXT2RETNEXT2DECR0DECR7RETSENDSETBP32MOVR0,50H；R0指向50HMOVDPTR,0BFFFH；指向74LS244输入口MOVA,R0；数据送入AMOVXDPTR,A；数据送入74LS244INCR0DJNZR6,SEND；判断是否传送完RET；子程序返回42数据处理器接收数据数据处理单元的主要任务为接收数据单元的数据，按照检测要求对数据进行处理，显示，通过键盘设置标定系数及限位值，并将测量计算结果通过TXD发送给监控计算机。当某一个数据接收器请求中断（P320），若主处理器响应该中断请求，则发出通道隔离器（74LS244）选通信号（P27,P26,P25）,即通道隔离器的地址信号，使通道隔离器解除高阻状态，与相应的数据接收器建立并行通信通道，同时，主处理器发出确认信号（P140），当数据接收器检测到确认信号后（P330）,清除中断请