數據中央采集系統的仿真分析與研制的效果發展論文
中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）32-0023-03
當今電子科學技術得到了快速發展，各種智能化控制系統、工業數據采集系統等在工業生產過程中起到了十分重要的作用。環境參數控制是大多數生產型企業的首要任務，如今數據采集技術發展迅速，出現了大量模擬量數據傳感器、采集器。但此類設備采集點單一，每次采集需先停止現場設備后方可進入現場，取出采集器內部記錄卡或是通過人工讀取采集器上面的數據進行記錄，不但影響生產效率、增加了勞動強度，同時頻繁地進出采集容易造成關鍵數據環境的破壞，影響產品質量與精度。
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，可實現200m長距離信號傳輸，該類型傳感器具有精度比較高、穩定性好、抗干擾能力強等優點。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點，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制數字信號。通過RS485、RS232總線和相關的協議來實現與智能傳感器、上位PC機的通信。關鍵數據采集控制器定時與智能傳感器通信以獲得實時溫度、濕度、pH值等關鍵參數信號，并進行數字化處理。上位機與數據采集控制器進行定時或隨時通信可以得到各個傳感器的最新采樣值，并對數據進行儲存和處理，以備查詢分析及備份打印。
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，實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時地放入數據緩沖區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。根據實際情況，以標準232串口協議為基根，RS232接口主要占用系統中的RXD、TXD、GND三個數據端口資源，TXD為數據發送端，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，勉強可實現25M通訊，不能夠適應多點和遠程的數據的采集與監控，因此，為了滿足生產使用需求，本系統要實現距離長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，進行232與485通信協議轉換，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TTL電平。因此，采用MAX232芯片有效解決了雙方的電平匹配問題。
在工業關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。目前，實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，可實現串口通訊；三是使用Microsoft VB6.0 Mscomm通訊控件，VB是最為簡潔、直觀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間，提高了設計效率。通過Mscomm控件可以創建全雙工、時間驅動的、高效實用的通訊程序。經常需要進行數據交換，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，將實時采集的關鍵數據定時保存至數據中，以備后續的查詢和編輯等操作。系統的上位機人機交互界面如圖3所示，將實時顯示當前數據，具備參數上下限設定及超差報警、按時間順序查詢歷史數據等重要功能。
3 基于proteus硬件仿真實現
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與外圍電路協同仿真，連同PCB的繪制，實現了電路板加工之前的電路仿真。是目前最為優秀的電路仿真軟件，同時具備PCB布線和虛擬模型仿真等優秀功能，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生的信號分頻后作為系統的時鐘信號。本系統通過proteus完成硬件電路的繪制與仿真分析，應用VSPD虛擬串口實現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）是電子系統的關鍵環節，本系統是多種電子元器件及電子線路的綜合與集成，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。系統各種元器件在高度運轉時存在一定干擾，各個電流回路之間通過公共阻抗相互耦合，高、低頻干擾信號通過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，解決其電磁兼容問題是電子系統能否正常工作的關鍵，針對上述問題，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，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，電源與地之間都要加一個去耦電容，一方面提供和吸收集成電路開關瞬間的充放電能，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生干擾，同時應考慮對PCB進行合理分層及布局。
第三，各元器件在長期工作情況下產生一定熱量，為了避免熱源彼此間相互影響。大功率發熱元器件應靠近易于散熱的位置，必要時加裝散熱片或導熱管，適當加大發熱元件之間的距離，并且遠離熱敏元件。
第四，PCB設計時，盡量加粗電源線和地線寬度，減少環路電阻，數字地和模擬地分開。因為高頻電流是由接地噪聲電壓和數設備布線區域的壓降產生的，所以在高速數字電路中優先使用多點接地。它的主要目的是建立一個統一電位共模參考系統。
5 結語
基于單片機的關鍵數據采集系統是一種比較智能、經濟的方案，安裝簡單方便，系統穩定可靠，可維護性好，抗干擾性能好，能夠滿足溫室環境的設計要求，具有很強的實用性。另外本系統還可推廣應用到其他環境的關鍵數據檢測系統或類似的參數檢測系統中，具有很好的推廣應用價值。
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