數據中央采集系統的仿真分析與研制的效果發(fā)展論文
中圖分類(lèi)號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）32-0023-03
當今電子科學(xué)技術(shù)得到了快速發(fā)展，各種智能化控制系統、工業(yè)數據采集系統等在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中起到了十分重要的作用。環(huán)境參數控制是大多數生產(chǎn)型企業(yè)的首要任務(wù)，如今數據采集技術(shù)發(fā)展迅速，出現了大量模擬量數據傳感器、采集器。但此類(lèi)設備采集點(diǎn)單一，每次采集需先停止現場(chǎng)設備后方可進(jìn)入現場(chǎng)，取出采集器內部記錄卡或是通過(guò)人工讀取采集器上面的數據進(jìn)行記錄，不但影響生產(chǎn)效率、增加了勞動(dòng)強度，同時(shí)頻繁地進(jìn)出采集容易造成關(guān)鍵數據環(huán)境的破壞，影響產(chǎn)品質(zhì)量與精度。
1 系統原理
系統結構如圖1所示，利用終端變送器將采集的關(guān)鍵參數（例如溫度、濕度、壓力、pH值等）轉換為4～20mA的電流信號或0～5V電壓信號，可實(shí)現200m長(cháng)距離信號傳輸，該類(lèi)型傳感器具有精度比較高、穩定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。系統單片機采用深圳宏晶科技的STC90C52RC，具有低功耗、高速和抗干擾強的優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，管腳也和AT89C51兼容，而且在此基礎上增加了許多便于操作的功能。單片機主要負責完成各路采集點(diǎn)數據的收集和轉換，將接收的模擬量信號轉換為系統可識別的二進(jìn)制數字信號。通過(guò)RS485、RS232總線(xiàn)和相關(guān)的協(xié)議來(lái)實(shí)現與智能傳感器、上位PC機的通信。關(guān)鍵數據采集控制器定時(shí)與智能傳感器通信以獲得實(shí)時(shí)溫度、濕度、pH值等關(guān)鍵參數信號，并進(jìn)行數字化處理。上位機與數據采集控制器進(jìn)行定時(shí)或隨時(shí)通信可以得到各個(gè)傳感器的最新采樣值，并對數據進(jìn)行儲存和處理，以備查詢(xún)分析及備份打印。
2 上位機通訊軟件設計
人機交互系統采用主要基于單片機串口通信技術(shù)，實(shí)現主機與控制系統的數據交互。核心芯片采用宏晶系列芯片STC90C52RC，將采集并存儲的數據實(shí)時(shí)地放入數據緩沖區Sbuf中，利用MSComm控件將數據緩沖區中的數據采集至計算機系統以完成上位機與下位機的通信。以標準9針串口作為雙方物理接口，簡(jiǎn)潔、高效地完成全雙工通訊功能，如圖2所示為上位機與控制系統的通訊原理圖。根據實(shí)際情況，以標準232串口協(xié)議為基根，RS232接口主要占用系統中的RXD、TXD、GND三個(gè)數據端口資源，TXD為數據發(fā)送端，其中RXD為數據接收端，GND為信號接地端。目前標準RS232串口的有效數據傳輸距離很短，在波特率較低設置的`情況下，勉強可實(shí)現25M通訊，不能夠適應多點(diǎn)和遠程的數據的采集與監控，因此，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)使用需求，本系統要實(shí)現距離長(cháng)達數百米的遠距離數據傳輸，采用標準的RS232轉RS485通訊轉換器，進(jìn)行232與485通信協(xié)議轉換，最遠傳輸距離可達1000m。為了提高抗干擾能力及通訊穩定性，目前上位機串口通訊采用標準EIA電平，而單片機串口輸入輸出為T(mén)TL電平。因此，采用MAX232芯片有效解決了雙方的電平匹配問(wèn)題。
在工業(yè)關(guān)鍵參數監測及反饋控制系統中，上位機與MCU之間的數據交互大多以串行通信為主要手段，它具有方便、高效并且標準統一的特點(diǎn)。目前，實(shí)現控制系統與上位機通訊的主要手段主要有三種方式：一是利用VC的標準通信函數，調用函數命令操作串口；二是利用Windows內部API函數，可實(shí)現串口通訊；三是使用Microsoft VB6.0 Mscomm通訊控件，VB是最為簡(jiǎn)潔、直觀(guān)地面向對象的編程方法，支持Access和dBASE等多種數據庫鏈接模式，模塊豐富，極大地節省了編程時(shí)間，提高了設計效率。通過(guò)Mscomm控件可以創(chuàng )建全雙工、時(shí)間驅動(dòng)的、高效實(shí)用的通訊程序。經(jīng)常需要進(jìn)行數據交換，串行通信是主要的通信手段，它高效、方便并遵循統一的國家標準。因此為了配合下位機的通訊工作，本系統采用第三種方法實(shí)現PC機與單片機的通訊，數據管理方面，利用VB6.0中的addoc控件，完成VB系統與Access 2003數據庫管理軟件的鏈接，將實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵數據定時(shí)保存至數據中，以備后續的查詢(xún)和編輯等操作。系統的上位機人機交互界面如圖3所示，將實(shí)時(shí)顯示當前數據，具備參數上下限設定及超差報警、按時(shí)間順序查詢(xún)歷史數據等重要功能。
3 基于proteus硬件仿真實(shí)現
proteus作為EDA高效仿真工具，得到世界廣泛認可與應用，從硬件設計、程序調試到MCU與外圍電路協(xié)同仿真，連同PCB的繪制，實(shí)現了電路板加工之前的電路仿真。是目前最為優(yōu)秀的電路仿真軟件，同時(shí)具備PCB布線(xiàn)和虛擬模型仿真等優(yōu)秀功能，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。系統選用Proteus 7.0 professional版本進(jìn)行仿真調試，選用AT89C51代替STC系列完成單片機程序調試，選用74LS74作為分頻電路將單片機產(chǎn)生的信號分頻后作為系統的時(shí)鐘信號。本系統通過(guò)proteus完成硬件電路的繪制與仿真分析，應用VSPD虛擬串口實(shí)現proteus與VB的上位機與下位機的通信測試，并驗證了設計的可行性，極大程度地降低了設計風(fēng)險。
4 系統PCB電磁兼容性設計
PCB（印制電路板）是電子系統的關(guān)鍵環(huán)節，本系統是多種電子元器件及電子線(xiàn)路的綜合與集成，系統中含微弱模擬信號以及高精度A/D變換電路，強電與弱電相結合，具有工作電壓低、速度快、高密度等特點(diǎn)。系統各種元器件在高度運轉時(shí)存在一定干擾，各個(gè)電流回路之間通過(guò)公共阻抗相互耦合，高、低頻干擾信號通過(guò)整流電路串擾到電路中，影響彼此正常工作及安全可靠性。因此，提高電路板抗干擾能力，解決其電磁兼容問(wèn)題是電子系統能否正常工作的關(guān)鍵，針對上述問(wèn)題，可采取以下有益措施：
第一，強電信號和弱電信號電氣隔離，數字地與模擬地分開(kāi)，由于數據采集端為24V直流信號輸入，電壓比較高，而控制系統統一采用5V供電，因此雙方應采用單獨鋪地的策略，獨自構成回路，降低對電源其他功能單元的干擾。
第二，重要信號或易受干擾信號采用光耦隔離，在設計電路板時(shí)，電源與地之間都要加一個(gè)去耦電容，一方面提供和吸收集成電路開(kāi)關(guān)瞬間的充放電能，另一方面可以去掉該期間的高頻噪聲，盡量避免相互耦合產(chǎn)生干擾，同時(shí)應考慮對PCB進(jìn)行合理分層及布局。
第三，各元器件在長(cháng)期工作情況下產(chǎn)生一定熱量，為了避免熱源彼此間相互影響。大功率發(fā)熱元器件應靠近易于散熱的位置，必要時(shí)加裝散熱片或導熱管，適當加大發(fā)熱元件之間的距離，并且遠離熱敏元件。
第四，PCB設計時(shí)，盡量加粗電源線(xiàn)和地線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻，數字地和模擬地分開(kāi)。因為高頻電流是由接地噪聲電壓和數設備布線(xiàn)區域的壓降產(chǎn)生的，所以在高速數字電路中優(yōu)先使用多點(diǎn)接地。它的主要目的是建立一個(gè)統一電位共模參考系統。
5 結語(yǔ)
基于單片機的關(guān)鍵數據采集系統是一種比較智能、經(jīng)濟的方案，安裝簡(jiǎn)單方便，系統穩定可靠，可維護性好，抗干擾性能好，能夠滿(mǎn)足溫室環(huán)境的設計要求，具有很強的實(shí)用性。另外本系統還可推廣應用到其他環(huán)境的關(guān)鍵數據檢測系統或類(lèi)似的參數檢測系統中，具有很好的推廣應用價(jià)值。
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