风向风速传感器EIA-485接口模块的设计
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在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，各种工业控制、智能仪器仪表、数据采集都趋向网络化，EIA RS-485是工业应用中的一种支持多节点、远距离的数据传输总线标准。
目前，在风向、风速测量方面，多采用霍尔或光电元件将风速转换为与风速成正比的脉冲信号，将风向变换为并行的GRAY码输出。风速传感器输出的脉冲信号需通过公式计算后才能得到真正的风速值，输出GRAY码的风向信号也需要通过公式计算或软件查表转换才能得到真正的风向值。此种接口不符合国际标准，无法与大多数采用EIA RS-485工业应用总线标准的仪器设备直接连接，影响了其推广及应用范围。
为了叙述方便，以下以EC9系列高动态性能测风传感器为例,见图1。
1
通过该接口模块，为实际应用中应带来以下好处：提高了信号传输的可靠性、增加了信号的传输距离、降低了二次仪表软硬件的开发难度、降低了安装及维护的复杂性、减少了土建及电缆的造价，尤其重要的是传感器的接口符合国际标准，容易同其它智能化仪器、传感器联网运行。
使用MODBUS通迅规范及标准ASCII规范容易同通用的设备相配合，例如美国A-B公司的可编程控制器（PLC）以及研华公司的ADAM系列，作为该系列产品对风测量的延伸。
3.2
接口模块的软件设计的任务是把风速的脉冲信号以及风向的并行信号转换为标准的ASCII码，并通过EIA RS-485接口传输到网络上。
由于采用脉冲及并行传输，该类传感器的信号线一般要求选用10～20芯标准电缆，电路复杂，现场安装及维修不便。此外，在传输距离较远的情况下，电缆及敷设工程成本增大；在接收端为了防止感应雷对设备的破坏，必须对多芯电缆中的每一条有效进线加TVS管（注１）作保护，从而增加了保护多路并行输入口所付出的成本。
本文描述了在此类测风传感器上外加一个与EIA-485接口的适配器设计方案。即在不破坏传感器产品结构、不增加内部电路的基础上，依照即插即用的思路，通过在测风传感器的外部信号接口上插接独立的EIA-485接口模块的方式，把风速的脉冲信号以及风向的并行信号转换为EIA-485工业标准协议的信号。
TVS 管是近年来国外开发的新型保护器件，可以简单地看成一种响应时间极快的稳压管。由于其响应时间达纳秒级，而感应雷电的特点是电压很高，而时间很短，故用传统的压敏电阻等保护集成电路起不到作用，而TVS 对雷电感应到电路输入端的纳秒级电压有很好的抑制能力。
注２：根据所用的收发器集成电路的Βιβλιοθήκη Baidu号，最多为２５６个。
参考文献：
1、EC9系列高动态性能测风传感器使用说明书 《长春气象仪器研究所》
2、FXSB1系列组合测风传感器 《天津气象海洋仪器厂》
3、水、闸位485接口模块设计《水利水文自动化》1998.5
4、ＭＡＸＩＭ 2000 ＤＡＴＡ ＢＯＯＫ
5、Ａ－Ｂ公司的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ手册
附图1
风向/风速仪插上EIA-485接口模块示意图
EIA-485串行接口及串行接口保护电路负责信号的转换及防雷击。
测风传感器接口电路及单片微处理器把传感器的并行输出GRAY码转换成串行信号，并进行网络通讯。在接口模块上电后未进行通讯时控制电路处于低功耗状态。
3
3.1
采用MODBUS通迅规范或美国国家标准ASCII或简单的主从握手方式通迅协议。波特率4800或9600 BPS，１位起始位，１位停止位，８位数据位，无校验。
风向风速传感器EIA-485接口模块的设计
南 京 长 川 公 司 景江
广西 水文水资源局 唐奇善
摘要：把风向、风速传感器输出的代表风速的脉冲信号以及代表风向的并行GRAY码信号，通过一个二合一的智能化接口模块，转换成为国际标准的EIA-485串行信号。
关键词：EIA-485、即插即用、TVS、网络协议
附图2
接口模块的原理框图
测风传感器内部的风向测量部分采用光电式编码结构，输出一般为7至8位的GRAY码开关量，可测量的变化范围是0～360度，分辩率为2.8125度（7位输出）或2.5度（8位输出）。
GRAY码在相邻位上只变化一个码位，故具有抗干扰能力强、测量误差小。但不直观，也不便参加运算，必须将其转换为二进制，进而转为ASCII码。转换方法有查表法和公式法，查表法简单但占用较多的内存。公式法原理如下：
４针欧式端子的其中２针接四芯双绞电缆中的２根电源线，另外２针接四芯双绞电缆中的２根标准EIA-485串行信号线，即A、B线。其中，电源接口电路、电源保护电路、稳压供电电路为接口模块从电缆上取得电源（直流8V～15V）并转换成5V稳压电源，供接口模块使用，同时设有防止电源接反电路。
地址开关用以设定风向、风速传感器EIA-485接口模块的地址，风向地址范围是0～9，风速地址为风向地址加1。
2
模块主要由单片机、协议转换芯片、及供电电源组成。其原理框图见图2。按照EIA-485的标准，除总线的A线B线以外，另外增加两根电源线，对位于传感器端的接口模块及传感器供电。这样即构成了四线制串行传输。
遵循即插即用、高可靠、低成本、低功耗的设计原则，用精简的硬件结构来实现高可靠的设计思想，模块的结构设计成圆柱形密封体，插头与外壳一体化。一端带12或19芯航空插头，直接插在测风传感器上的12或19芯航空插座上，另一端为中心带密封圈孔（引出电缆）的端盖。四芯双绞电缆由该带密封圈孔进入模块内部，同标准直插式４针欧式端子的插头联接，然后再同模块内部电路板上的４针欧式端子的插座相插接。
①主控方（PC机或PLC或MCU）给网络上电，
②主控方和网络上的从属方（接口模块）开始通讯，
③主控方结束通讯，
④主控方（PC机或PLC或MCU）关闭网络电源。
结论，文中所述的设计方法，同样可以引伸到其它同类型的测风传感器上。
注１：雷电（多数是感应雷）常在户外通过输入电缆损坏终端设备的接口。除了对输入电缆进行穿金属导管地埋以外，目前较为有效的手段是在所有输入端子上加 TVS管。
测风传感器内部的风速测量部分采用霍尔及磁性圆盘或光电码盘结构，将轴的转速转换成电脉冲量信号，其输出信号频率与风速的大小成正比（V∝f）。可测量的变化范围是0～70m/s，分辩率为0.1m/s。转换时按具体产品率定参数计算即可。
4
采用主从方式，即网络上的所有接口模块为从属方式，网络上的一台工业PC机或一台可编程序控制器或一台单片机采集控制仪器为主控方式。
该网络可接64个结点（注２），结点可以为带EIA-485接口的智能模块，电缆可用廉价的三类非屏蔽对称双绞线，为了防止人为、鼠类对电缆的破坏以及雷电通过电缆对设备的损坏，需要外加金属或非金属管作保护。
由于测量参数的传感器一般耗电较大，加上这些被测的参数实时性要求不高，所以采用受控电间断方式工作。
网络上的主控方（一台工业PC机或一台可编程序控制器或一台单片机采集控制仪器）控制整个过程。当主控方指令错、超时、波特率或数据格式错以及通讯时网络瞬时受强列干扰，从属方自动恢复。工作流程为：
设GRAY码有8位（G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8）,与其对应的二进制数为B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8。G1,B1为最高位。根据GRAY码的特征有
B1＝G1
B2＝G1 G2
B3＝G1 G2 G3＝B2 G3(式中 表示异或)
一般有 Bi＝Bi－1 Gi1＜i≤8
又因：Gi非0即1，故有
目前，在风向、风速测量方面，多采用霍尔或光电元件将风速转换为与风速成正比的脉冲信号，将风向变换为并行的GRAY码输出。风速传感器输出的脉冲信号需通过公式计算后才能得到真正的风速值，输出GRAY码的风向信号也需要通过公式计算或软件查表转换才能得到真正的风向值。此种接口不符合国际标准，无法与大多数采用EIA RS-485工业应用总线标准的仪器设备直接连接，影响了其推广及应用范围。
为了叙述方便，以下以EC9系列高动态性能测风传感器为例,见图1。
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通过该接口模块，为实际应用中应带来以下好处：提高了信号传输的可靠性、增加了信号的传输距离、降低了二次仪表软硬件的开发难度、降低了安装及维护的复杂性、减少了土建及电缆的造价，尤其重要的是传感器的接口符合国际标准，容易同其它智能化仪器、传感器联网运行。
使用MODBUS通迅规范及标准ASCII规范容易同通用的设备相配合，例如美国A-B公司的可编程控制器（PLC）以及研华公司的ADAM系列，作为该系列产品对风测量的延伸。
3.2
接口模块的软件设计的任务是把风速的脉冲信号以及风向的并行信号转换为标准的ASCII码，并通过EIA RS-485接口传输到网络上。
由于采用脉冲及并行传输，该类传感器的信号线一般要求选用10～20芯标准电缆，电路复杂，现场安装及维修不便。此外，在传输距离较远的情况下，电缆及敷设工程成本增大；在接收端为了防止感应雷对设备的破坏，必须对多芯电缆中的每一条有效进线加TVS管（注１）作保护，从而增加了保护多路并行输入口所付出的成本。
本文描述了在此类测风传感器上外加一个与EIA-485接口的适配器设计方案。即在不破坏传感器产品结构、不增加内部电路的基础上，依照即插即用的思路，通过在测风传感器的外部信号接口上插接独立的EIA-485接口模块的方式，把风速的脉冲信号以及风向的并行信号转换为EIA-485工业标准协议的信号。
TVS 管是近年来国外开发的新型保护器件，可以简单地看成一种响应时间极快的稳压管。由于其响应时间达纳秒级，而感应雷电的特点是电压很高，而时间很短，故用传统的压敏电阻等保护集成电路起不到作用，而TVS 对雷电感应到电路输入端的纳秒级电压有很好的抑制能力。
注２：根据所用的收发器集成电路的Βιβλιοθήκη Baidu号，最多为２５６个。
参考文献：
1、EC9系列高动态性能测风传感器使用说明书 《长春气象仪器研究所》
2、FXSB1系列组合测风传感器 《天津气象海洋仪器厂》
3、水、闸位485接口模块设计《水利水文自动化》1998.5
4、ＭＡＸＩＭ 2000 ＤＡＴＡ ＢＯＯＫ
5、Ａ－Ｂ公司的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ手册
附图1
风向/风速仪插上EIA-485接口模块示意图
EIA-485串行接口及串行接口保护电路负责信号的转换及防雷击。
测风传感器接口电路及单片微处理器把传感器的并行输出GRAY码转换成串行信号，并进行网络通讯。在接口模块上电后未进行通讯时控制电路处于低功耗状态。
3
3.1
采用MODBUS通迅规范或美国国家标准ASCII或简单的主从握手方式通迅协议。波特率4800或9600 BPS，１位起始位，１位停止位，８位数据位，无校验。
风向风速传感器EIA-485接口模块的设计
南 京 长 川 公 司 景江
广西 水文水资源局 唐奇善
摘要：把风向、风速传感器输出的代表风速的脉冲信号以及代表风向的并行GRAY码信号，通过一个二合一的智能化接口模块，转换成为国际标准的EIA-485串行信号。
关键词：EIA-485、即插即用、TVS、网络协议
附图2
接口模块的原理框图
测风传感器内部的风向测量部分采用光电式编码结构，输出一般为7至8位的GRAY码开关量，可测量的变化范围是0～360度，分辩率为2.8125度（7位输出）或2.5度（8位输出）。
GRAY码在相邻位上只变化一个码位，故具有抗干扰能力强、测量误差小。但不直观，也不便参加运算，必须将其转换为二进制，进而转为ASCII码。转换方法有查表法和公式法，查表法简单但占用较多的内存。公式法原理如下：
４针欧式端子的其中２针接四芯双绞电缆中的２根电源线，另外２针接四芯双绞电缆中的２根标准EIA-485串行信号线，即A、B线。其中，电源接口电路、电源保护电路、稳压供电电路为接口模块从电缆上取得电源（直流8V～15V）并转换成5V稳压电源，供接口模块使用，同时设有防止电源接反电路。
地址开关用以设定风向、风速传感器EIA-485接口模块的地址，风向地址范围是0～9，风速地址为风向地址加1。
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模块主要由单片机、协议转换芯片、及供电电源组成。其原理框图见图2。按照EIA-485的标准，除总线的A线B线以外，另外增加两根电源线，对位于传感器端的接口模块及传感器供电。这样即构成了四线制串行传输。
遵循即插即用、高可靠、低成本、低功耗的设计原则，用精简的硬件结构来实现高可靠的设计思想，模块的结构设计成圆柱形密封体，插头与外壳一体化。一端带12或19芯航空插头，直接插在测风传感器上的12或19芯航空插座上，另一端为中心带密封圈孔（引出电缆）的端盖。四芯双绞电缆由该带密封圈孔进入模块内部，同标准直插式４针欧式端子的插头联接，然后再同模块内部电路板上的４针欧式端子的插座相插接。
①主控方（PC机或PLC或MCU）给网络上电，
②主控方和网络上的从属方（接口模块）开始通讯，
③主控方结束通讯，
④主控方（PC机或PLC或MCU）关闭网络电源。
结论，文中所述的设计方法，同样可以引伸到其它同类型的测风传感器上。
注１：雷电（多数是感应雷）常在户外通过输入电缆损坏终端设备的接口。除了对输入电缆进行穿金属导管地埋以外，目前较为有效的手段是在所有输入端子上加 TVS管。
测风传感器内部的风速测量部分采用霍尔及磁性圆盘或光电码盘结构，将轴的转速转换成电脉冲量信号，其输出信号频率与风速的大小成正比（V∝f）。可测量的变化范围是0～70m/s，分辩率为0.1m/s。转换时按具体产品率定参数计算即可。
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采用主从方式，即网络上的所有接口模块为从属方式，网络上的一台工业PC机或一台可编程序控制器或一台单片机采集控制仪器为主控方式。
该网络可接64个结点（注２），结点可以为带EIA-485接口的智能模块，电缆可用廉价的三类非屏蔽对称双绞线，为了防止人为、鼠类对电缆的破坏以及雷电通过电缆对设备的损坏，需要外加金属或非金属管作保护。
由于测量参数的传感器一般耗电较大，加上这些被测的参数实时性要求不高，所以采用受控电间断方式工作。
网络上的主控方（一台工业PC机或一台可编程序控制器或一台单片机采集控制仪器）控制整个过程。当主控方指令错、超时、波特率或数据格式错以及通讯时网络瞬时受强列干扰，从属方自动恢复。工作流程为：
设GRAY码有8位（G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8）,与其对应的二进制数为B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8。G1,B1为最高位。根据GRAY码的特征有
B1＝G1
B2＝G1 G2
B3＝G1 G2 G3＝B2 G3(式中 表示异或)
一般有 Bi＝Bi－1 Gi1＜i≤8
又因：Gi非0即1，故有