多冗余輸出的數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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2．1．2 電源及電壓基準(zhǔn)源
本模塊外部由直流24 V電源供電，內(nèi)部由3個(gè)鑫飛達(dá)DC／DC隔離電源實(shí)現(xiàn)分開(kāi)供電，互不干擾，一路經(jīng)DFA5-24S12輸入24 V隔離輸出5 V供通道采樣與A／D轉(zhuǎn)換工作電源；一路經(jīng)DFA5-24S5輸入24 V隔離輸出5 V供CPU工作電源；一路S05HIS05-2W輸入5 V隔離輸出5 V供RS 485通訊工作電源。模塊前向通道的信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都需要一個(gè)高精度的5 V的電壓基準(zhǔn)源，TL431就是基準(zhǔn)源電路的核心器件。其主要特點(diǎn)是：穩(wěn)壓值從2．5～36 V連續(xù)可調(diào)；參考電壓源誤差±l％，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值O．22 Ω，輸出電流1．O～100 mA，全溫度范偉內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50 ppm；低輸出電壓噪聲。TL431適用作12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓參考源。本模塊用TL431構(gòu)建的5 V基準(zhǔn)電路。
2．1．3 工作過(guò)程
8路4～20 mA信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路(TLC279ID)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(TLC2543)、隔離(6N137)送入ATmegal6單片機(jī)，它利用內(nèi)部自帶的ADD轉(zhuǎn)換器采集8路數(shù)據(jù)，將其經(jīng)由RS 485接口電路傳送給上位機(jī)，RS 485通訊模塊采用帶磁隔離的ADM2483。其原理框圖見(jiàn)圖2。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/173269.htm
2．1．4 程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序，復(fù)位各個(gè)端口。當(dāng)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊處于自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)狀態(tài)，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)各通道按設(shè)定間隔時(shí)間進(jìn)行采集；當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令便選中相應(yīng)的采集通道執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行濾波得到精確的數(shù)值，再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待上位機(jī)的讀取。單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，系統(tǒng)主程序?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)，在循環(huán)中完成以下工作：系統(tǒng)初始化，包括初始化I／0端口，外部中斷，計(jì)數(shù)器O，USART等；掃描上位機(jī)采集指令；開(kāi)中斷；響應(yīng)INTO中斷和計(jì)數(shù)器0溢出中斷；讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果；將采集的數(shù)據(jù)調(diào)用通訊子程序由串口通訊模塊輸出；接收上位機(jī)發(fā)出的命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作。
2．2 多路冗余輸出處理模塊
為解決對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多路冗余處理輸出，提高可靠性，特設(shè)計(jì)一雙CPU協(xié)同處理的串口擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)多路冗余處理輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)RS 485總線(xiàn)輸入至該模塊，經(jīng)隔離進(jìn)雙CPU處理，擴(kuò)展為三路串口輸出，原理框圖見(jiàn)圖3。模塊采用雙ATmega64芯片作為處理器，雙CPU并口總線(xiàn)通訊，CPU數(shù)據(jù)RAM映射，數(shù)據(jù)交換速度快，實(shí)時(shí)性高。串口通訊RS 485總線(xiàn)，通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU通訊協(xié)議。電源采用鑫飛達(dá)的5W DC／DC隔離模塊DFA5-24S5。
ATmega64是高性能、低功耗的AVR、8位微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，其特性如下：133條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，32×8通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密，可以通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；JTAG接口(與IEEE 1149．1標(biāo)準(zhǔn)兼容)，遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試，通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH、E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。
2．3 通訊設(shè)計(jì)
RS 232／422／485都是串行數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)。RS 232是非平衡傳輸，RS 422／485是平衡傳輸。RS 232傳送距離最大僅為15 m，最高速率為20 Kb／s，比較適合近距離的本地設(shè)備之間的通信連接；RS485連接最長(zhǎng)可達(dá)1．2 km，可連接至256個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率能高達(dá)10 Mb-／s。為實(shí)現(xiàn)底層多采集模塊和上位機(jī)間遠(yuǎn)距離通訊，在底層采用RS 485總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因PC機(jī)端的串口是RS 232接口，故需在PC端接專(zhuān)用的RS 232／RS 485轉(zhuǎn)換模塊將RS 232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS 485的信號(hào)。本采集單元使用通訊模塊芯片為帶磁隔離的ADM2483，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議――MODBUS RTU通訊協(xié)議。圖4為RS 485通信接口硬件電路。
評(píng)論