【正文】 子機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大?！　。?）虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段 測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）3到功能完全不同的測量儀器。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來了曙光。多媒體技術(shù)的應(yīng)用，多媒體技術(shù)無疑可以引入過程控制領(lǐng)域。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難于滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。目前普遍使用的變送器是以 70年代統(tǒng)一的 4—20mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳送信號(hào)的二線制變送器(國內(nèi)還有少量四線制 0—10mA信號(hào)變送器)，它們?cè)趥魉托盘?hào)時(shí)，模擬信號(hào)不能簡單迭加，信道為一對(duì)一，即一對(duì)導(dǎo)線上只能傳輸一個(gè)變送器輸出信號(hào)，且只能單向傳輸。隨后美國的 Rosemount， Foxboro等一些公司在 1986年美國儀表學(xué)會(huì)(1SA)的會(huì)議上爭相推出了一些稱為 Smart變送器的新型智能變送器系列。如果采用這種數(shù)字式集成化測量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。智能變送器的發(fā)展是與傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是分不開的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。這種智能變送器給用戶帶來了極大的方便。尤其在以下特殊應(yīng)用場合更能發(fā)揮其優(yōu)越性。對(duì)于現(xiàn)場總線尚未普及的情況，智能變送器可先用于在高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場合，可減少維護(hù)人員的工作量及傷亡的可能性。 由于其更高的性能價(jià)格比，智能變送器不僅在二十一世紀(jì)的數(shù)字化時(shí)代，而且在現(xiàn)場總線時(shí)期也是大有可為的，它的應(yīng)用前景是美好的。硬件電路見實(shí)際 電路圖器件選擇原則 討論了智能變送器硬件電路和軟件電路設(shè)計(jì)的總體思想，從中可以得知，硬件電路應(yīng)力求簡化，把許多硬件電路很難解決的問題通過軟件來解決。而且這也導(dǎo)致成本上升和干擾信號(hào)增多，且功耗變高，這些都是智能型壓力傳感器/變送器所要解決的問題，下面我們具體討論各主要芯片的特征和功能，以期它與我們的硬件電路總體設(shè)計(jì)思想相吻合。Intel 公司還為 MCS51單片機(jī)設(shè)計(jì)了 5個(gè)中斷源，分為 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，且每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的。本課題硬件電路設(shè)計(jì)中首先應(yīng)確定單片機(jī)機(jī)型，根據(jù)自己對(duì)單片機(jī)的熟悉程度和智能變送器的性能指標(biāo)要求，我選擇了 8051單濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）9片機(jī)，根據(jù)以上的分析，8051 都帶有 4K ROM,無需外部擴(kuò)展，因此，采用 MCS51系列的 8051單片機(jī)。但是，對(duì)于智能型變送器，它要完成工業(yè)測、控功能所必須具備的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。所以本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)的最小功耗系統(tǒng)和典型系統(tǒng)相結(jié)合的方式。模入通道有單通道和多通道之分。由多路模擬開關(guān)輪流采入各通道模擬信號(hào)，經(jīng)放大、保持和 A/D轉(zhuǎn)換送入主機(jī)電路。模擬電路和 A/D變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評(píng)價(jià)采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。因此設(shè)計(jì)選擇了光電耦合器件 6N136。放大環(huán)節(jié)由高性能的集成儀表放大器 AD623和非易失性數(shù)控電位器 X9241組成。下面具體介紹 AD623與 X9241：AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，其引腳如圖 25，該芯片內(nèi)含 3個(gè)運(yùn)算放大器，它能在單電源下提供滿電源幅度的輸出。線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá) 200HZ時(shí)仍保持恒定而受到抑制。低功耗（3V 時(shí) ） 、寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出，使 AD623成為本課題設(shè)計(jì)的理想選擇。在每個(gè)單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪問的抽頭點(diǎn)。數(shù)據(jù)寄存器可以由用戶讀出和寫入。X9241 引腳及其說明：主要引腳：串行時(shí)鐘（SCL） 用于時(shí)鐘脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入和輸出 X9241圖 25 AD623芯片引腳濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）13串行數(shù)據(jù)線（SDA） SDA是一個(gè)雙向的引腳，用來向器件輸入和輸出數(shù)據(jù)。從屬地址的串行數(shù)據(jù)流必須與輸入地址相匹配以便開始與X9241的通信 圖 26 X9241引腳圖表 21 X9241 引腳功能濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）14X9241 工作原理： X9241是包含了四個(gè)電阻陣列以及它們有關(guān)的寄存器、計(jì)數(shù)器和在主機(jī)與電位器間提供直接通訊的串行邏輯接口的高集成度的微電路。主機(jī)總是啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸并為發(fā)送和接收操作提供時(shí)鐘。(3) 開始條件送給 X9241所有的命令都由開始條件引導(dǎo)，這個(gè)條件就是當(dāng) SCL為高時(shí)（tHIGH） ，SDA由高至低的跳變。發(fā)送器件（不管是主或從）在發(fā)送 8位數(shù)碼以后將釋放 SDA總線。(6) 陣列說明濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）15X9241包含四個(gè)電阻陣列。在每個(gè)單獨(dú)的陣列中，同一時(shí)間只有一個(gè)開關(guān)可以接通。這些數(shù)據(jù)寄存器和 WCR都可以由主系統(tǒng)來讀出和寫入。從器件地址的后 4位是該器件的地址。最高 4位是指令。最后兩位（R1 和 R0）選擇四個(gè)寄存器中的一個(gè)，當(dāng)一條與寄存器有關(guān)的指令發(fā)出時(shí)，該寄存器將受影響。 MAX186轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá) 133ksps，同時(shí)提供了 SHDN引腳和兩種軟件可選關(guān)斷模式，使它能通過在兩次轉(zhuǎn)換之間處于關(guān)斷模式而使功耗達(dá)到最低。V REF為模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓端，當(dāng)采用外部精密參考源時(shí)也可作為輸入。DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入腳，DOUT 為轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行數(shù)據(jù)輸出端。當(dāng) 為低時(shí)，在 SCLK同步脈沖上升沿作用下通過 DIN端逐位移入　圖 29 MAX186 內(nèi)部框圖圖 210 MAX186 引腳濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）17MAX186內(nèi)部寄存器， 變低后的第一個(gè)邏輯“1”定義為控制字節(jié)的起始位。選擇單極性或雙極性， =1為單極性(模擬信號(hào)范圍 0至 VREF)輸出為直接二進(jìn)制碼， =0為雙極性(模擬信號(hào)范圍VREF/2 至+VREF/2)輸出為 2的補(bǔ)碼。圖 3為外部時(shí)鐘方式轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。圖 4為 16個(gè)時(shí)鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)序圖。根據(jù) CPU給出的地址信號(hào)進(jìn)行地址譯碼，方便地選擇其輸入通道使輸入與輸出相連通。V/I 變換則采用放大器構(gòu)成反向輸出求和電表 22　控制字節(jié)格式Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0STARTSEL2 SEL1 SEL0 PD1 PD0濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）18路，當(dāng) D/A轉(zhuǎn)換器輸出為 0時(shí)，只有+1V 作用，經(jīng)過 250歐的電阻產(chǎn)生 4ma直流信號(hào)，當(dāng) D/A轉(zhuǎn)換器輸出為+5V 時(shí)，兩個(gè)電源為求和電路，5V 信號(hào)經(jīng)過 16ma信號(hào)，兩者疊加共產(chǎn)生 20ma直流信號(hào)。模擬電路和 A/D變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評(píng)價(jià)采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。因此設(shè)計(jì)選擇了光電耦合器件 6N136。本設(shè)計(jì)中采用 RS485總線進(jìn)行輸入輸出，應(yīng)對(duì)總線驅(qū)動(dòng)收發(fā)器和單片機(jī)之間加上光電隔離器，以防止電壓過高，損壞單片機(jī)。由此可見，RS－485 協(xié)議正是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 212所示。只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485的接收和發(fā)送即可?？偩€失效保護(hù)，總線出現(xiàn)不定態(tài)時(shí)，外加強(qiáng)制使其處于某一種狀態(tài)。(3)采用隔離接口，隔離接口回路。如果 DE 為高時(shí)，器件將作為線驅(qū)動(dòng)器，DE 為低時(shí)，它們將作為高阻狀態(tài)。X5045 提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。：（1）上電復(fù)位 向 X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使 RESET引腳有效。當(dāng) RESET被確認(rèn)后，該 RESET信號(hào)將一直保持有效，直到電壓跌到低于 1V。 X5045主要是通過一個(gè) 8 位的指令寄存器來控制器件的工作，其指令代碼通過 SI輸入端（MSB 在前）寫入寄存器。用戶可以停止時(shí)鐘，然后再啟動(dòng)它, 以便在它停止的地方恢復(fù)操作。狀態(tài)寄存器控制字的格式如下（缺省值為 00H） ：表 24 狀態(tài)寄存器控制字格式表 23 X5045的指令格式及其操作濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）23 其中： WIP (WriteInProgress) 位是易失性只讀位，用于指明器件是否忙于內(nèi)部非易失性寫操作。WEL=1 時(shí)，表示鎖存被設(shè)置；WEL=0 表示鎖存已復(fù)位。任何被塊鎖保護(hù)的存儲(chǔ)器都只能讀出不能寫入。而在寫狀態(tài)寄存器時(shí)，應(yīng)先將 CS 拉低，然后送 WREN指令，再拉高 CS。第三章 軟件系統(tǒng)智能變送器的軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可分為兩個(gè)模塊：一個(gè)通訊模塊和一個(gè)實(shí)時(shí)測量模塊 。與上位機(jī)的通信采用串行口中斷方式進(jìn)行。系統(tǒng)經(jīng)初始化后，先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，放大到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 0—5v，然后進(jìn)行 A/D數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采樣值與 EEPROM中讀到的相關(guān)參數(shù)執(zhí)行量化處理、平均值濾波、標(biāo)度變換、零值與滿值補(bǔ)償、線性轉(zhuǎn)移等一系列運(yùn)算后，最后輸出對(duì)應(yīng)的 4—20ma直流電流。將弱信號(hào)放大到 0—5v，即放大系數(shù)等于 5000除以 VMAX。即連續(xù)采樣 6次，將其累加求和同時(shí)找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按 4個(gè)采樣值求平均，即 得有效采樣值。當(dāng) Ya向 Yx逼近時(shí)(量程上限壓縮)，輸出電流 Ix逐漸達(dá)到最大值 Ia；而當(dāng) Yb向Yx逼近時(shí)(量程下限上浮)，則輸出電流 Ix逐漸達(dá)到最小值 Ib，(此時(shí)增量電流(Ix—Ib)向 0mA逼近)。 通訊模塊由于設(shè)計(jì)為智能變送器，故不能設(shè)計(jì)顯示以及鍵盤功能，所以要設(shè)計(jì)能與上位機(jī)通訊的智能變送器，從而用 RS—485總線將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是傳輸速度較低，每秒鐘能發(fā)送或接收的二進(jìn)制位數(shù)稱為波特率。（2）進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。（4）進(jìn)行錯(cuò)誤檢測：在發(fā)送時(shí)接口電路對(duì)傳送的字符數(shù)據(jù)自動(dòng)生成奇偶校驗(yàn)位或其他校驗(yàn)碼。加上從 P1口送出數(shù)據(jù)來選中多選一的模擬開關(guān) MAX358來配合送出數(shù)據(jù)，來保證選中相應(yīng)的通道輸出 4—20ma信號(hào)。時(shí)序：指數(shù)據(jù)應(yīng)傳送或被接收機(jī)尋找的時(shí)間、信息的排序、速率匹配等。源 地 址：如果從機(jī)處于接收狀態(tài)，則源地址為上位機(jī)地址；如果從機(jī)處于發(fā)送狀態(tài) ，則源地址為從機(jī)地址。從機(jī)按相同的算法對(duì)這 N個(gè)字節(jié)信息進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果和附加校驗(yàn)字節(jié)進(jìn)行比較，從而判斷有無差錯(cuò)，這種檢錯(cuò)方式就是“和校驗(yàn)” ?！? 程序的流程圖：（1）屏蔽中斷發(fā)送程序流程圖如圖 38 命令（碼） 說 明 10H 弱信號(hào)量程 11H 放大器增益 12H 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址 13H 數(shù)據(jù)是否越限 14H 數(shù)據(jù)備份 15H 采樣頻率 16H 串行波特率禁止串口中斷RS—485 切換到發(fā)送方式置位 TB8發(fā)送長度信息發(fā)送源地址、發(fā)送命令、發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)校驗(yàn)和延時(shí) 5ms，RS—485 切換到接收方式置開放串口中斷置 SM2=1，為接收信息做好準(zhǔn)備返回?cái)?shù)據(jù)長度減 1，是否為0？是否圖 38濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）35（2）串行中斷接收程序流程圖：39（3）協(xié)議處理子程序流程圖如圖 310圖 39 串行中斷接收流程接收到串行中斷否 是放棄通信，退出現(xiàn)場返回主程序是否接收到信息？是否是現(xiàn)場保護(hù)從機(jī)接收目的地址清 SM2 是否與本機(jī)地址一致？否否是是置 SM2=1，退出現(xiàn)場長度減 1為 0 否？從機(jī)接收超時(shí)否？接收信息濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）35根據(jù)命令調(diào)用相應(yīng)的子程序10H設(shè)量程11H設(shè)增益12H設(shè)地址13H檢測數(shù)據(jù)14H儲(chǔ)存數(shù)據(jù)15H設(shè)頻率16H設(shè)波特率RS485 切換到接收方式置開放串口中斷返回校驗(yàn)和是否正確?否是圖 310 協(xié)議處理子程序流程圖濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）35第四章 實(shí)際電路圖濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）35圖 41主電路圖? ? ? ? ? ?????????????????? ???? ??? ?? ???? ???? ???? ??? ?????????????? ????? ?? ? ?? ??? ? ?? ??? ? ?? ??6 7 ?7 8? ? ?? ? ??? ? ?? ???? ? ?? ? ? ? ? ? ?????? ??? ? ? ? ? ? ??? 9??? ? ?? ? ? ???? ????? ? ?? ??? ? ?? ??? ? ?? ??? ? ?? ??? ??1 ? ?2 ??3 ? ?4 ? ?5 ??6 ??7 ? ?? ? ?? ??? ??? ??? ??? 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