【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)送器，也可以作為接收器，設備B也是如此。數(shù)據(jù)可以從設備A傳送到設備B，反之亦然。但是兩設備之間僅有一根傳輸線。因此兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸不能同時進行，而只能交替進行。某一時刻A作為發(fā)送器，B作為接收器，數(shù)據(jù)流由A流向B。另一時刻，B作為發(fā)送器，A作為接受器，數(shù)據(jù)流則由B流向A。不可能有A、B同時作為發(fā)送器或者同時作為接收器的情況。A、B均可以既是發(fā)送器，又是接收器，兩者之間有兩根傳輸線。因此，它能在兩個方向上同時進行數(shù)據(jù)傳輸，即A向B發(fā)送的同時，B也可以向A發(fā)送。顯然，為了實現(xiàn)雙工傳輸，兩個傳輸方向的資源必須完全獨立，即A和B必須具有獨立的接受器和發(fā)送器。從A到B的數(shù)據(jù)通路必須完全與從B到A的數(shù)據(jù)通路分開。這樣，當A向B發(fā)送，B向A發(fā)送時，實際上使用兩個邏輯上獨立的單向傳輸線路。但是，在實際應用中，盡管多數(shù)串行通信接口電路具有全雙工功能，但一般情況下，只工作于半雙工制式下，這種用法簡單、實用。串行通信的結(jié)構(gòu)圖如下圖35所示 TXDRXD單片機RXDTXD外設圖35 串行數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖到目前，串行通信標準有RS232，RS422和RS485三個標準。RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS232C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS232C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、7100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS232C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制。例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題因此一般用于20m以內(nèi)的通信。RS232實體圖如下圖36所示圖36 RS232實體圖RS422是在RS232以后發(fā)展起來的，比起RS232的非平衡傳送方式上在電氣指標上有了大幅度提高。RS422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力104k+100Ω（終接電阻）。RS422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）。RS422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。RS422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。RS422是差模傳輸，抗干擾能力強，能傳1200米RS232最多傳輸15米。RS422的實體圖如下圖37所示圖37 RS422實體圖智能儀表是隨著80年代初單片機技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，現(xiàn)在世界儀表市場基本被智能儀表所壟 斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。RS485采用差分信號負邏輯，+～+6V表示“0”，6V～“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn)點對點的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：： RS485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS485收發(fā)器共模電壓范圍為7～+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡才能正常工作。當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。由于PC機默認的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：，對于情況比較復雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離柵的產(chǎn)品。，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。RS485網(wǎng)絡：RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便 ，而且現(xiàn)在支持RS485的儀表又特多，特別是在油品行業(yè)簡直是一統(tǒng)天下，現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持RS485/MODBUS，原因很簡單，原來的 HART儀表想買一個轉(zhuǎn)換口非常困難 而且價格昂貴，RS485的轉(zhuǎn)換接口就便宜的多而且種類繁多。至少在低端市場RS485/MODBUS還將是最主要的組網(wǎng)方式，近兩三年內(nèi)不會改變。RS485實體圖如下圖38所示圖38 RS485實體圖 RS485串口通信及外圍電路如下圖所示。圖39 RS485串口通信及外圍電路圖 溫度控制電路由于本設計系統(tǒng)純滯后時間較小，故我們采用PID（比例、積分、微分）控制算法來實現(xiàn)溫度的控制。 PID電路PID是相當于一個放大倍數(shù)可自動調(diào)節(jié)放大器，動態(tài)放大倍數(shù)低，而靜態(tài)時放大倍數(shù)高。PID是一種連續(xù)控制方式，PID主要解決了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)精度的矛盾。下圖是PID自動控制電路圖310 PID自動控制電路PID調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)的框圖如圖 311所示。由按鍵模塊設定溫度值，單片機對設定溫度值進行查表計算后轉(zhuǎn)換為對應的電壓數(shù)字值，通過 l6位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應的電壓信號，此電壓值于溫度傳感器測量的電壓值進行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過PID電路后，獲得一個控制量給加熱電路，構(gòu)成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量電壓值并顯示在顯示模塊上輸出控制D／A轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換成電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達到控制溫度恒定的目的。PID控制器原理框圖如下圖所示圖311 PID系統(tǒng)原理框圖 加熱控制電路用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為電爐絲 ，采用對加在電爐絲兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)加熱功率的調(diào)整，從而達到對恒溫溫控制的目的。對電爐絲通斷控制采用 SSR40DA固態(tài)繼電器，使用非常簡單，只要在控制端1TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時接NPN型三極管構(gòu)成射極輸出器電路，以提高驅(qū)動電流。三極管的基極連接單片機的P13，當單片機的P13為高點平時,三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作,當單片機 的Pl3為低電平時固態(tài)繼電器關(guān)斷,加熱器不工作 。圖312 溫度控制電路 PID調(diào)節(jié)器控制原理系統(tǒng)由 PID控制器和被控對象組成。PID控制就是對偏差信 號進行 比例，積分，微分運算后，形成一種控制規(guī)律即控制器的輸出為 ：或者表示為傳遞函數(shù)形式：K為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，T 為微分時間常數(shù)。PID控制器 的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，設計采用 PID歸一整定法把對控制臺三個參數(shù)(K、T、T )轉(zhuǎn)換為一個參數(shù)，使問題明顯簡化。以達到控制器的特性與被控過程 的特性相 匹配，滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標。PID算法的流程圖如下圖所示圖313 PID算法流程圖計算機只能處理數(shù)字信號，若采樣周期為T，第n次采樣點的輸入誤差為en,且en=r(n)C(n),輸出為u(n)，PID算法用的微分de/dt由差分(enen1)/T代替，積分∫e(t)dt由∑etT代替，于是得到可以得到遞推公式：△un = unun1=Pp+P1+PD(其中Pp=Kp(enen1), P1= KPT/T1 en= K1 en，PD= KPTD/T(en2en1+en2)= KD(en2en1+en2))PID計算△un只需要保留現(xiàn)時刻en以及以前的兩個偏差量en1 和en2。初始化程序初值en1 =en2=0通過采樣并根據(jù)參數(shù)Kp KD K1以及en，en1，en2計算△un。根據(jù)輸出控制增量△un，可求出本次控制輸出為un= un1+△un= un1+ Pp+P1+PD。 由于電阻爐一般是屬于一階對象和滯后的一階對象，式中Kp KD K1的選擇取決于電熱絲的階躍響應曲線和實際經(jīng)驗，設計采用Ziegler—Nichols提出的PID歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，人為假定約束條件，以減少獨立變量的個數(shù)，令：T1=，TD=。PID算法的程序設計PID控制程序如下: PI：MOV A，29H ；e(n) CLR C SUBB A，2AH ；e(n)e(n1) MOV B，25H ；KP LCALL MULTS ；KP [e(n)e(n1)] MOV R4，A MOV R3，B ；暫存于R3R4 MOV A，29H ；e(n) MOV A，26H ；KI LCALL MULTS ；KI e(n) ADD A，R4 MOV R4，A MOV A，B ADDC A，R3 MOV R3，A ；R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RETMULTS： CLR F0 ；置e(n)符號標志位正 JNB ，MUL1 SETB F0 ；置e(n)符號標志位負 CPL A INC A ；取絕對值MUL1： MUL AB JNB F0，MUL2 CPL A ADD A，1 MOV R2，A MOV A，B CPL A ADDC A，0 MOV B，A MOV A，R2 ；還原為補碼MUL2： RET 本章小結(jié)本章首先描述了控溫器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然都詳細設計了各主要部分的功能。在系統(tǒng)的信號選通電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機,串行數(shù)據(jù)通信，溫度控制電路等方面做了詳細闡述和設計。此外，本章還對電磁干擾源的分類做了簡單說明，最后討論并設計了幾種常用的抗電磁干擾的方法。 第4章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的軟件設計上位機作為整個控溫器的控制中心，其軟件設計也將是整個系統(tǒng)軟件設計的核心。本章將就上位機的軟件進行詳細設計。以實現(xiàn)精確控溫的目的。 軟件總體方案設計對設備供電后，系統(tǒng)進行初始化設置。確定了溫度控制范圍后，通過軟件控制選通電路，使第一路熱電信號處于選通狀態(tài)，即開始對第一路采集到的溫度信號電壓值進行信號調(diào)理放大處理。放大后的信號在 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對模擬小信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存入中央處理器。等待中央處理器與上位機的定時通信，將存儲的數(shù)據(jù)一并送入上位機，在上位機完成數(shù)字信號的處理。數(shù)字信號處理的內(nèi)容包括數(shù)字濾波和插值法求解溫度值。將求得的溫度值與控溫范圍進行比較，判斷測量的環(huán)境溫度是否超出允許范圍，超出允許范圍則控制控溫電路對溫度進行控制并控制報警電路進行報警。處理后的數(shù)據(jù)在上位機軟件上顯示并存儲在上位機中。然后進行下一循環(huán)溫度測量與控制，直至接到退出命令。在上位機的顯示數(shù)據(jù)中亦可將超出范圍的數(shù)據(jù)進行相應的顏色