带隔离的开关量输入和继电器输出的数据采集模块的设计

图 １ 硬件总体框图 本 模 块 以 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 单 片 机 为 ＣＰＵ 控 制 单 元 的 核 心 ， 同 时 还 包 括 了 数 据 采 集 、数 据 存 储 、数 据 通 信 、光 电 耦 合 和 断 电 保 护等多种功能。由于 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 功能比较齐全， 因此使整个模 块特别简洁， 不仅减小了模块的体积和功耗、大大节省了外围设 备的开销， 而且极大地提高了模块的可靠性和稳定性。 １．２ 模拟量采集单元 本 模 块 选 用 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 的 ＡＤＣ０ 模 ／数 转 换 通 道 作 为 模 拟 量 信 号 的 采 集 通 道 。如 通 过 温 度 、湿 度 传 感 器 实 时 采 集 工 作 环 境的温度、湿度情况。由现场采集的模拟信号传送到 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 的 ＡＤＣ０ 输 入 通 道 的 过 程 中 必 然 要 受 到 外 来 信 号 的干扰， 从抗干扰和保证采集信号的高线性度考虑， 在输入端选 用 了 高 线 性 度 光 耦 ＨＣＮＲ２０１， 对 模 拟 信 号 进 行 一 次 隔 离 ， 这 样 在较准确获得有用信号的同时， 又去除了干扰成分。电路图如图 ２ 所示。图中的前端运放 ＬＭＶ９３１ 构成负反馈放大电路， 抑 制
图 ２ 模拟量采集单元（ 其中的一路） １．３ 开关量信号采集单元
该采集单元适用于对具有开关量的信号进行采集， 如电路 的通电与否、水流的通过与否等开关量。电路如图 ３ 所示。该采 集单元设计的是 ２２０Ｖ 交流电压输入。设定当输入大约小于交 流峰值一半时， 不给予响应。为了避免电气特性及恶劣工作环境 带来的干扰， 该处采用光电耦合对信号实现了一次电－ 光－ 电的 转换。在进入光电耦之前又通过电解电容滤除部分尖峰脉冲， 同 时此电容又与分压电阻形成放电回路， 这些措施有效地屏蔽了 信 号 传 输 过 程 中 所 受 到 的 干 扰 。 同 时 还 安 装 有 ＬＥＤ 工 作 指 示 灯， 可以使用户对每一通路的工作情况一目了然。
图 ３ 开关量信号采集单元 １．４ 输出控制单元
该单元是对现场采集数据进行分析后， 由上位机工作人员
《工业控制计算机》２００７ 年 ２０ 卷第 １０ 期
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或单片机按预先设置好的反馈条件自动地给出控制输出， 来控 制带有光电隔离的固体继电器 Ｊ ＧＸ－ １５０５ＦＢ， 进而驱动现场的 控制设备。同时也安装有 ＬＥＤ 工作指示灯， 同样可以对 每 一 路 的工作状况一目了然。 １．５ ＲＳ－ ４８５ 通信接口
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ Ｔｈｉｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒｉｂ ｅ ｓ ａ ｈａ ｒｄ ｗａ ｒｅ ｄ ｅ ｓ ｉｇ ｎｉｎｇ ａ ｐ ｐ ｒｏａ ｃ ｈ ｏｆ ｄ ａ ｔａ ｇ ａ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ａ ｎｄ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ ｍｏｄ ｕｌｅ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｐ ｈｏｔｏ － ｉｓ ｏｌａ ｔｅ ｄ ｄ ｉｇ ｉｔａ ｌ ｉｎｐ ｕｔ ｃ ｈａ ｎｎｅ ｌｓ ａ ｎｄ ｆｏｕｒ ｓ ｏｌｉｄ － ｓ ｔａ ｔｅ ｒｅ ｌａ ｙ ｏｕｔｐ ｕｔ ｃ ｈａ ｎｎｅ ｌｓ ．Ｔｈｅ ｄ ｅ ｓ ｉｇ ｎ ｐ ｒｏｖｉｄ ｅ ｓ ａ ｎｏｌｏｇ － ｔｏ－ ｄ ｉｇ ｉｔａ ｌ，ｄ ａ ｔａ ｇ ａ ｔｈｅ ｒ－ ｉｎｇ ，ｄ ａ ｔａ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ ａ ｎｄ ｏｔｈｅ ｒ ｆｕｎｃ ｔｉｏｎｓ ． Ｔｈｉｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｌｓ ｏ ｇ ｉｖｅ ｓ ａ ｄ ｅ ｔａ ｉｌｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓ ｔｌｙ ｆｕｎｃ ｔｉｏｎ ａ ｎｄ ｃ ｈａ ｒａ ｃ ｔｅ ｒ－ ｉｓ ｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄ ｕｌｅ ， ａ ｓ ｗｅ ｌｌ ａ ｓ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ ｉｎｔｅ ｒｆａ ｃ ｅ ｏｆ ＲＳ－ ４８５ ａ ｎｄ ｔｈｅ ａ ｐ ｐ ｌｉｃ ａ ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄ ｕｌｅ ｉｎ ｐ ｒａ ｃ ｔｉｃ ｅ ． Ｋｅ ｙｗｏｒｄｓ ：Ｃ８０５１Ｆ０２１，ＩＬ４８５，ｄ ａ ｔａ ｇ ａ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ，ｐ ｈｏｔｏ－ ｉｓ ｏｌａ ｔｅ ｄ
从目前解决单片机中长距离通信的诸多方案分析来看， ＲＳ－ ４８５ 总线通信模式由于具有结构简单、价 格 低 廉 、通 信 距 离 和数据传输速率适当等特点而被广泛应用。因此本模块采用 ＲＳ－ ４８５ 通 信 ， 选 择 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 的 Ｐ０．０ 和 Ｐ０．１ 作 为 串 行 口 的 ＴＸ０ 和 ＲＸ０。从减少硬件的外围设备考虑， 在电路中， 使用自带 隔离的 ＲＳ－ ４８５ 接 口 芯 片 ＩＬ４８５， 它 采 用 双 电 源 供 电 ， 在 与 单 片 机相接端采用＋３．３Ｖ 电源供电， 另一端采用＋５Ｖ 电源供电。通过 单 片 机 Ｐ２．４ 置 ０ 或 置 １ 来 控 制 ＲＳ４８５ 接 口 芯 片 的 ＤＥ 使 能 端， 进而控制通信数据的发送； 它的接收使能端 ／ＲＥ 接地保持低 电平， 即发送使能无效时， 始终保持接收状态。具体电路如图 ４ 所示。与普通的 ＲＳ－ ４８５ 芯片相比， 它能防止高电压雷电冲击。 对一些环境比较恶劣的现场， 可直接与传输线相接而不需要任 何外加保护元件。
参考文献 ［ １］ 潘琢金．Ｃ８０５１Ｆ０２１ ／１ ／２ ／３ 混合信号 ＩＳＰ ＦＬＡＳＨ 微控制器数据手册
［ Ｍ］ ．沈阳： 沈阳新华龙电子有限公司， ２００５ ［ ２］ Ｉｓ ｏｌａ ｔｅ ｄ ＲＳ４８５ Ｉｎｔｅ ｒｆａ ｃ ｅ 数据手册 ［ ３］ Ｈｉｇ ｈ－ Ｌｉｎｅ ａ ｒｉｔｙ Ａｎａ ｌｏｇ Ｏｐ ｔｏｃ ｏｕｐ ｌｅ ｒｓ ＨＣＮＲ２０１ 数据手册
图 ４ ＲＳ－ ４８５ 通信接口电路 ２ 模块的软件设计
模块软件采用汇编语言编写 ， 主要由主程序模块、数据采集 处 理 模 块 、通 信 模 块 、数 据 输 出 控 制 模 块 等 组 成 。 主 程 序 的 任 务 包 括 各 可 编 程 器 件 、堆 栈 、各 项 参 数 等 初 始 化 。 在 初 始 化 结 束 之 后， 立即开放中断， 则判明中断源后进入相应服务模块（ 如数据 采集、数据的发送和接收等） ， 服务结束， 均返回主程序中的规定 入口， 等待下一轮循环。
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带隔离的开关量输入和继电器输出的数据采集模块的设计
带隔离的开关量输入和继电器输出的数据采集模块的设计
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏｆ Ｄａ ｔａ Ｇａ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ａ ｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ Ｍｏｄ ｕｌｅ Hale Waihona Puke Baiduｉｔｈ Ｉｓ ｏｌａ ｔｅ ｄ Ｄｉｇ ｉｔａ ｌ Ｉｎｐ ｕｔ ａ ｎｄ Ｒｅ ｌａ ｙ Ｏｕｔｐ ｕｔ
本 文 设 计 的 是 带 有 ４ 路 传 感 器 等 模 拟 量 输 入 、４ 路 带 光 电 隔离的开关量输入和继电器输出的数据采集模块。本模块选用 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 作 为 ＣＰＵ 的 核 心 控 制 单 元 ， Ｃ８０５１Ｆ０２１ 有 ６４ 个 管脚， 在本设计中有一部分管脚的空余， 可以利用这些空余的管 脚， 根据实际的需要进行其它功能的扩展。
参考文献 ［ １］ 斯 蒂 姆．Ｍｉｃ ｒｏｓ ｏｆｔ ＳＱＬ Ｓｅ ｒｖｅ ｒ７． 数 据 库 技 术 指 南 ［ Ｍ］ ． 刘 汉 ， 等． 译． 北京： 机械工业出版社， ２０００ ［ ２］ 王常力， 罗安．集散型控制系 统 造 型 与 应 用 ［ Ｍ］ ．北 京 ： 清 华 大 学 出 版
本模块的一个典型应用就是在滴灌控制系统中。由传感器 采集土壤的湿度， 与滴灌的下限值进行比较， 来得到浇水与否的 命令。若为浇水命令， 则执行浇灌输出控制命令， 通过继电器驱 动给水电磁阀。同时由 ４ 路开关量采集水流信息， 从而得到浇灌 是否顺利进行的反馈信息。与此同时土壤湿度传感器实时采集 土壤的水分含量， 当超过滴灌的上限值时， 将执行关闭电磁阀的 输出控制命令。如图 ５ 的系统框图所示。
在许多实时监测系统中， 经常需要接收距离较远的测控点 的数据， 如何可靠快速地实现现场数据的采集、数据的远程传输 及输出控制， 是这些监测模块必须解决的问题。在追求低成本的 现代化设计中， 许多功能强大， 性能可靠的单片机随之产生了。 本文就是基于功能齐全、性价比高的 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 单片机而设计 的数据采集模块。 １ 模块的硬件设计 １．１ 硬件的总体结构
本文探讨了通过组建一个网络系统使袜机实行计算机集群 控制。从而使企业在规模化生产中实现计算机化智能管理和自 动化生产。目前国内很多袜业厂都还使用的单机操作， 由技术人 员对机器进行监控以及故障的处理。现通过实施集散控制后大
大提高了产品的生产效率节省了人工成本加强了公司各个部门 的联系与科学管理。企业的生产设备的革新带动整个袜业水平 的提高， 相应得也将进一步促进计算机和信息技术的在生产行 业中的应用。
本模块的硬件总体结构框图如图 １ 所示。
ＬＥＤ 中电流的变化； 后端运放 ＬＭＶ９３１ 构成 Ｉ ／Ｖ 转换电路。由图 可知 ＶＯＵＴ ／ＶＡＩＮ＝ ＫＲ３０ ／Ｒ２８， 即输 出 电 压 与 输 入 电 压 是 呈 线 性 关 系 的， 且与 ＬＥＤ 的输出光的强度无关。通过调整 Ｒ３０ ／Ｒ２８ 的值来调 整其电压增益。Ｒ２９ 为 ＬＥＤ 的限流电阻， 两个电容用于改善电路 的高频特性。
李光耀
（ 内蒙古工业大学信息工程学院， 内蒙古 呼和浩特 ０１００５１）
吉荣廷 沈大鹏 （ 呼和浩特铁路局科研所， 内蒙古 呼和浩特 ０１００５７）
摘要 介 绍 了 基 于 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 控 制 、 具 有 ４ 路 带 光 电 隔 离 的 开 关 量 输 入 和 继 电 器 输 出 的 数 据 采 集 通 信 模 块 。 设 计 以 Ｃ８０５１Ｆ０２１ 单片机为 ＣＰＵ 控制单元的核心， 同时包括了数据采集、数据存储、数据通信等多种功能。在对模块的设计结构 和主要功能特点作了较详细论述的同时， 对串行通信 ＲＳ－ ４８５ 接口及其在实践中应用也作了详细的论述。 关键词： Ｃ８０５１Ｆ０２１， ＩＬ４８５， 数据采集， 光电隔离
数据采集模块一般在现场工作， 由于现场工作的环境通常 比较恶劣， 以及各种设备引起的干扰较多， 使得采集的数据存在 一定的误差， 除了在硬件上加强抗干扰措施外， 在软件设计中也 采取了相应措施。通过分析误差产生的途径和原因， 将采集数据
图 ５ 模块实际应用框图 ４ 结束语
本模块采用合适的新型芯片， 在硬件设计中， 本着提高模块 的可靠性， 减小硬件开销的原则， 尽可能的采用集成度高的器 件， 以减少外围设备。通过合理的设计使其具有很大扩展性的同 时， 也具有良好的稳定性和可靠性。
［ 收稿日期： ２００７．４．２９］
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（ 上接第 ３１ 页） 用上该系统就融合了各种标准化的软、硬件接口。运用 ＯＰＣ Ｓｅ ｒｖｅ ｒ， 来实现与异构系统的互联（ 因为此工业标 准 接 口 就 是 根 据易于扩展性而设计的） 。
中的误差按粗大误差、系统误差和随机误差进行分类， 并根据这 三类误差的特点采用相应的处理策略： 首先采用去极值平均滤 波消除粗大误差和随机误差的影响， 其次考虑传感器等元器件 所带来的系统误差对采集数据的影响， 并根据系统误差得到的 修正值形成表格， 通过查表消除数据中的系统误差。
另外， 为了确保模块的可靠性和稳定性， 还附加有掉电保 护， 系统复位等其它软件功能。 ３ 模块的可扩展性和应用
一个设备的 ＯＰＣ Ｓｅ ｒｖｅ ｒ 主要有两部组成， 一是 ＯＰＣ 标准 接口的实现； 二是与硬件设备的通信模块。实现 ＯＰＣ 标准接口， 就 必 须 实 现 ＩＯＰＣＳｅ ｒｖｅ ｒ， 而 在 ＩＯＰＣＳｅ ｒｖｅ ｒ 接 口 又 含 有 ６ 个 方 法也必须实现。因为该接口是 ＯＰＣ Ｓｅ ｒｖｅ ｒ 的主接口， 通过它就 实现了 ＯＰＣ Ｓｅ ｒｖｅ ｒ 在操作系统中的安装和注册。 ４ 结束语