毕业设计（论文）基于RS485的多路数据采集模块的设计

1、1 绪论1.1基于rs-485的多路数据采集模块的设计综述1.1.1基于rs-485的多路数据采集模块的意义和任务“基于rs-485的多路数据采集模块”完成的任务是测得电压、电流、温度等模拟量信号，经过模块内部处理，通过rs-485总线传给计算机。自然界所存在的一些物理量和大量的是模拟量，例如压力、流量、温度、轴角、光通量、位移等，它们是非电模拟量。这些模拟量不能送进数字计算机进行处理，必须先经传感器件将其转换成模拟电信号，经过放大后送至模拟/数字转换器，将模拟信号转换成数字信号。数字信号经过数字计算机分析处理后，其输出仍是数字信号，所以必须经过数字/模拟转换器，将数字信号转换成模拟信号，将数

2、字信号转换成模拟信号后，才能送去控制执行元件，例如科研和生产中常常遇到程序升温、降温的问题，为了保证生产过程正常安全的进行，提高产品的质量和数量，减轻工人的劳动强度，节约能源，常常要求加热对象的温度按照某种指定的规律变化。选择合适的adc设计高速高精度采集系统提供了一个较好的解决方案。该设计的意义在于:电流、电压、温度是工业、农业对象中主要的被控参数之一，像电子、冶命、机械、食品、化工等各类工农业业中，广泛使用的各种加热器、热处理炉、反应炉、温度计等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，环境

3、自动监测控制方面的研究有了明显的进展，各种更为先进的检测系统正在应运而生，它们能很好的克服信号易受干扰损耗，测量误差较大以及安装拆卸繁杂等缺点，例如利用dallas公司生产的新型器件实现的数字化单总线技术。但目前在低成本检测系统或者精度要求不高的检测系统中，传统的温度控制措施仍然占据着主导地位。1.1.2 课题研究背景及立题依据人类社会进入信息时代，信息技术已经深深地渗透到人们的日常生活中。信息技术主要包括信息的获取、传输、处理、记录和应用等。信息技术的三大主要技术也就是常说的3c技术是信息获取技术、通信技术和计算机技术(collection,communication,computer)。其

4、中，信息获取技术是信息技术的基础，而数据采集是信息获取的主要手段和方法。目前，国外数据采集模块较上世纪有了很大的发展，从最近国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为使用方便、功能多样和体积减小三个方面。国内数据采集模块起步比较晚，国内的数据采集模块与国外数据采集模块相比，在技术上仍然存在一定的差距，主要表现在：(1)由于整个国内的微电子模块还与世界水平有一定差距，模数转换芯片的速度还不能达到世界先进水平，同时高速pcb设计方面的人才比较稀少，所以国内较少研制出速度非常高同时性能又非常好的数据采集模块。(2数据采集模块本身的信号处理功能不强，只能采集热电阻或热电偶信号，不能同时采集

5、热电阻，热电偶信号，在现场只能做一些简单的数据分析，大多数的处理要离线到计算机上去做。(3) 模块的软件水平还不是很高，设备操作起来有很多不人性化的地方。虽然国内与国外在数据采集技术上存在差距，但是总体来看这个差距在不断缩小，在不久的将来中国的数据采集模块肯定会晋升国际一流的水准。针对数据采集模块不能同时采集热电阻、热电偶信号的缺点，本论文提出一种基于rs-485的多路数据采集模块的设计方案，采用rs-485总线，单元模块直接挂在rs-485网络上，能够同时采集热电阻、热电偶信号，此方案同样解决了测量点分布不均匀、数量多、传输距离远的问题，能够满足不同工业环境下模拟量的采集需求。1.2本文研究

6、的主要内容整个多路数据采集模块的设计主要分为硬件设计和软件设计。硬件设计部分主要包括八路选择开关采集不同类型模拟量，模拟量放大，ad转换芯片通过spi总线协议与微处理器的通讯以及微处理器通过rs-485总线与上位机通讯等。模块的软件设计包括模块初始化，数据采集，数据预处理，数据分析等。2 模块总体设计2.1 多路数据采集模块的指标要求2.1.1 电源要求l dc +10+30 vl 防止电源逆转 2.1.2 环境要求l 操作温度：-10 70 c (14 158 f)l emi：符合fcc a类或ce类l 存放环境温度： -25 85 c (-13 185 f)l 操作湿度：595%，无冷凝2

7、.1.3 机械指标l 外壳：含有固定防滑硬件l 插入式螺丝：0.5 mm2.5 mml 接线端子： 14 22 awg2.1.4 与上位机通讯l 采用rs-485接口l 传输速率：1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 bpsl 最大传输距离： 4000英尺（1.2km）l 电源与通讯模块指示灯l acii命令/响应协议l 通讯错误的校验和检查l 异步数据格式：开始位 1，数据位 8，停止位 1，无校验l 每个串口最多接256个多点模块l 网络模块的插入和删除l 基于rs-485通信线路的瞬态抑制2.2多路数据采集模块的总体设计2

8、.2.1总体硬件设计数据采集模块由模拟量输入、多路选择开关、模拟量放大、a/d转换芯片与mcu得通讯以及mcu与上位机通讯模块组成，如图1-1所示图 2-1系统结构框图fig.2-1 the structural diagram of system2.2.2总体软件设计数据采集模块软件部分包括系统初始化，读取模拟量，a/d转换，送入mcu，mcu与上位机通信等模块。由模拟量输入、多路选择开关、模拟量放大、a/d转换芯片与mcu得通讯以及mcu与上位机通讯模块组成。3 模块硬件设计3.1模拟量输入3.1.1模拟量输入电路如图2-1所示，电压和热电偶输入时，断开jp*-1和jp*-2，电压信号直接

9、进入下一级电路；电流输入时，短接jp*-1和jp*-2，精密电阻r1r2,r4r7,r10r11将电流信号转换为电压信号，传给下一级电路。tvs1tvs8是一种二极管形式的高效能保护器件，当tvs 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的 浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。 图3-1 模拟量输入fig.3-1 analogue signal input3.2 模拟量选择3.2.1多路选择开关选型本模块选用两个adg508fb作为八路选择开关，模拟量正极

10、和负极分别进入两个芯片。adg508fb是由八个单通道组成的低功耗多路模拟选择开关，转换时间迅速，具有故障保护功能，能够承受-4050v的持续过电压。adg508fb通过三条地址线从八路通道中选择任意一路作为输出，有一使能引脚控制芯片的八路开关选通或同时关断。广泛应用在现存多路选择电路和新的设计电路中，满足本模块需要。3.2.2 模拟量选择电路如图2-2所示，模拟量进入多路选择开关adg508fb，电压正极进入u1，负极进入u4。模拟通道的选择通过a0、a1、a2组成的07分别选择。输出数字信号传给下一级电路。图3-2 模拟量选择电路fig.3-2 analogue signal select

11、3.3电压、电流、热电偶区分3.3.1 芯片选型本模块选用adg333作为电流电压热电偶的区分芯片，该芯片是单片cmos器件，含有四个独立可选的spdt开关。芯片在设计上利用lc2mos进程具备了低功耗性能还实现了高开关切换速度和低导通电阻的性能，完全满足本模块需要。3.3.2 芯片简介adg333a是单片cmos器件，包括四个独立可选 spdt开关。它在设计上引用lc2mos，此设计实现了低功耗还实现了高开关速率和低阻抗。在整个模拟输入范围内电阻档是非常平坦的，确保良好的线性度和低失真音频信号切换时的范围。高开关速度也使得一部分视频信号切换合适的。cmos结构可确保超低功耗使理想的便携式，电

12、池供电设备适合的部分。在打开状态，每个开关在两个输出方向上时等同的，并且有一个可扩展到电源电压的输入信号。在关闭状态，到达电源电压的信号被封锁。在开关多路复用的情况下，所有开关表现出先开后合的特性。设计的本质就是数字信号输入切换时的最低瞬变低电荷注入。3.3.3 adg333主要性能l 最大额定值44v电源。l 模拟信号范围为vss到vdd。l 低导通阻抗（最大45）。l 低功耗。l 开关时间迅速（ton 175 ns，toff 200mv时输出高电平，反之输出低电平。re：接收器输出使能，低电平有效。de：驱动器输出使能，高电平有效。di：驱动器输入，驱动器启用时，di若低电平，则使a低b高

13、，反之a高b低。vcc：电源输入，5 v 5%。a：接收器同相输入a/驱动器输出a。b：接收器反相输入b/驱动器输出b。gnd：接地，0v。3.6.5 adm485接线图如图2-21所示，re/de接mcu的p1.7口，控制芯片作为驱动器或接收器，a/b作为与上位机的通讯口。rs-485 标准定义信号阈值的上下限为 200mv 。即当 a-b200mv 时，总线状态应表示为“1”，当 a-b-200 mv时，总线状态应表示为“0”。但a-b在200mv 之间时，则总线状态为不确定，所以我们会在a、b线上面设10k的上、下拉电阻，以尽量避免这种不确定状态。由于总线上还会存在浪涌冲击 、 电源线与

14、 485 线短路 、 雷击等潜在危害，所以我们一般会在总线端采取一定的保护措施。此模块在a和b端分别接上f2和tvs11、f3和tvs10就是为了应对这种危害。图3-16 adm485fig.3-16 adm485 circuit4 模块软件设计4.1系统软件的组成及基本要求在微机测控系统中，系统的主要功能还要靠软件来实现。为了满足系统的要求，系统设计时必须符合以下基本要求： 易理解性、易维护性： 通常是指软硬件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。由于生产过程自动化程度的不断提高，测控系统的结构日趋复杂，设计人员很难在短时间内就对整个系统理解无误，软件的设计与调试不可能一次

15、完成，有些问题是在运行中逐步暴露出来，这就要求编制的软件容易理解和修改。在软硬件的设计方法中，模块化设计是最好的一种设计方法，这种设计方法是由整体到局部，然后再由局部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现。本系统就是采用这种模块化的设计方法。这样不但使得设计目标明确、思路清晰，而且在检错、调试时也很方便。当出现问题时，可以根据问题的种类和现象来判断是哪一部分出的问题，很容易找出故障所在和故障原因。同时，采用模块化程序结构设计方案，对于系统功能的扩充和修改也提供了很大的方便。实时性：实时性是本系统的基

16、本要求。即要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。近年来，由于硬件的集成度与速度的提高，配合相应的软件，实时性容易满足要求，特别是对于汇编语言编制的软件。可测试性：系统的可测试性具有两方面的含义：其一是指比较容易地制定出测试准则，并根据这些准则对系统进行测定；其二是系统设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明准确无误后才可投入实际运行。准确性：准确性对整个系统具有重要意义。系统要进行大量运算，算法的正确性和准确性问题对控制结果有直接影响，因此在算法选择、位数选择方面要适合要求。另外，对测量结果的误差分析也是必不可少的。可靠性：可靠性是系统设计最重要的指标之

17、一，它要求两方面的意义：第一是运行参数环境发生变化时，系统都能可靠运行并给出正确结果，也就是要求系统具有自适应性；第二是在环境恶劣干扰严重情况下，系统必须保证也能可靠运行，这对整个系统尤为重要。4.2 系统流程图模块软件设计流程图如图3-2所示，包括软件初始化、模块初始化、初始化参数设置、读取数据、数据分析、数据处理和mcu与上位机通讯等模块。图4-1 系统流程图fig.4-1 flow chart of system4.3 系统各模块编程4.3.1系统初始化系统初始化包括软件初始化、模块初始化，参数初始化成功则判断系统是否介绍到退出信号，如果收到则退出，否则读取数据，分析数据。图4-2 系统

18、初始化流程图fig.4-2 initialization flow chart of system4.3.2 rs-485通讯流程图在rs-485通信中，发送过程主要采取了总线仲裁机制：在向485总线写数据时，主设备先写一字节的地址请求，所有的从设备均会收到，只有地址与之相等的从设备端口打开，其他设备全部关闭。这样，主设备与从设备之间的通信就是点对点的。每一个从设备均有一根请求线与主设备相连，若从设备需要与主设备通信时，先通过请求线进行请求，当请求成功后，从设备应能检测到总线上的地址与自身地址相同，从设备才能打开发送中断，才能发送消息，发送完之后必须关闭发送中断，释放总线，以保证其他从设备这段

19、时间能与主设备正常通信，提高通信效率。图4-3 rs-485通讯流程图fig.4-3 initialization flow chart of rs-485 communication4.3.4 a/d转换流程图a/d转换过程包括选择a/d转换通道，开中断开始转换，判断转换过程是否结束，如果结束则ads1216通过spi传给mcu。图4-4 a/d转换流程图fig.4-4 flow chart of a/d conversion4.3.4 spi通讯流程图spi传输的信号有命令和数据，接收的如果是命令，则发送相应的字符串，接收应答帧；如果数据，并且正确则保存数据发送正确应答帧。图4-5 spi

20、通讯流程图fig.4-5 spi communication flow chart of system5 模块的可靠性设计与抗干扰技术由于本系统用的环境可能含有各种电磁干扰复杂，如不采用抗干扰措施，往往导致控制系统失效。针对以上情况，系统在硬件和软件两方面采取了措施。5.1 硬件措施(1) 整个装置屏蔽在铁盒内，并有良好的接地，以避免空间杂散电磁波的干扰。(2)pcb板制作中采用大面积敷铜工艺，减小了干扰的的传播途径。(3) 开关量输入采用光电耦合器隔离。5.2 软件措施当单片机对电压进行采样时，外界干扰也会通过输入口随之而入，这样就造成数据采集的抖动，甚至出现不允许的偏差。因此如取瞬时采样一

21、次的方法，显然不会得到满意的结果。本系统对采样的数据进行数字滤波，具体的算法是对一个采样体进行3 次采样，三个值比较，剔除异值，取其余较接近两值的平均值做为最终采样值。一般微机应用系统前向通道中，输入信号均含有种种噪音和干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰等。为了进行准确的测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则随机性的。前者的典型代表为50hz的工频干扰。对于这类信号，采用硬件滤波电路能有效地消除其影响。后者为随机信号，不是周期信号。对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤波。所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断来减少干扰在有用信号中

22、的比重，故实际上它是一种程序滤波。经常采用的中值法、去极值法可对采样信号进行数字滤波，以消除常态干扰。6 结论与展望6.1 结论本文就数据采集系统的组成原理、单元电路设计、接口电路设计和系统的控制软件设计做了详细的说明，设计出符合课题要求的基于rs-485的数据采集模块。本文首先介绍了数据采集系统的一般设计要求，并根据本课题的实际要求提出了整体设计方案和原理框图。接着从硬件设计和软件设计两方面对系统的设计做了详细的说明。在硬件设计方面，本文从单元电路设计和接口电路设计两方面讨论了数据采集模块的设计要求和解决方法，给出了本系统的硬件电路设计。在软件设计方面，以单片机为中心，详细阐述了系统的软件设

23、计思想，主流程图以及相应模块的流程图，在操作中的一些特殊问题处理上，给出了相应的解决方法。6.2 展望随着工控设备的微型化、智能化，单片机等小型微处理芯片必将会得到广泛使用，而且随着对控制质量的要求，控制传输速率必将往更快，跟准方面发展，从而满足现在需求的实时性控制，而将rs-485总线协议作为智能仪器仪表与计算机之间的通信接口，极大地提高了计算机对设备的管理能力。在以后的发展中，还会将rs-485主控功能模块集成到智能仪器仪表中利用单片机进行工业控制，极大地方便了数据的采集和处理。总之应用前景将更加广阔。1 绪论11.1基于rs-485的多路数据采集模块的设计综述11.1.1基于rs-485的多路数据采集模块的意义和任务11.1.2 课题研究背景及立题依据11.2本文研究的主要内容22 模块总体设计32.1 多路数据采集模块