1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)實質(zhì)上是一個集散控制系統(tǒng)，更準確地說是一個遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)概念設(shè)計圖如圖1 所示，系統(tǒng)整體框架圖如圖2 所示。





1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

1.2.1  信號獲取模塊

系統(tǒng)采集大壩壩內(nèi)各個方位的形變，這種形變反映出各個方位的壓力值。選用NZS - 25 系列差阻式應(yīng)變計，它是一種大量程大應(yīng)變計，適用于大壩及其他混凝土建筑物內(nèi)部、鋼結(jié)構(gòu)等的應(yīng)變量測量。它與一般壓力傳感器的結(jié)構(gòu)不同，是通過測量比值而得到壓力值，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。



圖3 中， R1 、R2為敏感電阻，其基準電阻值為40 Ω ,在其沒有受壓時，2 個電阻的阻值都不會發(fā)生變化，但是當(dāng)受到外界作用的壓力時， R1的電阻值會隨著受到壓力的不同而發(fā)生變化阻值保持不變，這樣R1和R2上的壓降不同，通過2 次測量分別得到R1 、R2上的壓降， 再通過程序計算出它們的比值，就可以反映壓力的變化。

1.2.2 信號放大模塊

系統(tǒng)采用的壓力傳感器輸出的電壓信號為mV 級，電壓信號過小，不能直接進行A/ D 轉(zhuǎn)換，因此要對其進行放大，以達到轉(zhuǎn)換器的要求。選用專用儀表放大器AD620 芯片。此芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。AD620 放大器向A/ D 轉(zhuǎn)換器提供的模擬輸入電壓為- 2～2 V ,滿足A/ D 轉(zhuǎn)換器的要求。

1.2.3 A/ D 轉(zhuǎn)換模塊

轉(zhuǎn)換模塊選用ICL7135 芯片，其典型配置如圖4 所示。

ICL7135的時鐘由下位單片機的ALE 端提供，因為下位機在P0、P2 口沒有擴展外圍程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，因此端提供的時鐘頻率為系統(tǒng)時鐘頻率的1/ 12 ;此外，由于前級放大部分采用AD620 ,它是雙電源供電，所以ICL7135 也是雙電源供電，且他們的電源要求相同。ICL7135 和下位單片機的連接采用串行連接，如圖5 所示。



圖4 　ICL7135 典型外圍器件配置圖



圖5 　ICL7135 和單片機的串行連接圖

1.2.4  電源模塊

由于系統(tǒng)下位機位于大壩現(xiàn)場，電源無法從現(xiàn)場取得，必須由上位機提供，因此電源解決方案如圖6 所示。



圖6 　系統(tǒng)供電框圖

在主節(jié)點部分，通過總電源處理模塊，將交流220 V 轉(zhuǎn)換為直流12 V ,上位機的電源由自身的5 V 穩(wěn)壓模塊提供，通過總電源線將12 V 直流輸送到下位機，下位機及其外圍器件所需的電源都由下位機的電源模塊提供，個別器件所需的特殊電壓，由專用模塊獲得。

1.2.5 通信模塊

總線采用雙絞線差分傳輸方式，可連接成半雙工和全雙工方式，最遠傳輸距離為112 km. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用半雙工通信方式，即整個網(wǎng)絡(luò)中任一時刻只能由一個節(jié)點成為主節(jié)點，處于發(fā)送狀態(tài)，并向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他的節(jié)點都必須處于接收狀態(tài)，如果2 個或2 個以上節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致所有發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，因此通信網(wǎng)一般采取主從式即主節(jié)點控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信時序，使總線上的各節(jié)點分時使用總線，解決總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

總線驅(qū)動芯片選用RS - 485 接口芯片SN75LBC184 ,它采用單一電源，電壓為3～515 V 時都能正常工作。與普通的芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊，而且能承受高達的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4 個瞬時過壓保護管，可承受高達的瞬態(tài)脈沖電壓，因此它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接，而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設(shè)計，當(dāng)輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外它的輸入阻抗為RS - 485 標(biāo)準輸入阻抗的2 倍（ ≥24 kΩ） ,故可以在總線上連接64 個收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計了限斜率驅(qū)動，使輸出信號邊沿不會過陡，使傳輸線上不會產(chǎn)生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾?？偩€驅(qū)動芯片和單片機的連接采用間接連接，如圖7 所示。


 

圖7 　總線驅(qū)動芯片和單片機間的間接連接圖

1.2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊

該模塊用來存儲下位機傳過來的壓力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲器的基本要求是存儲容量要大，掉電數(shù)據(jù)不容易丟失，能保存較長時間，易于擴展容量?；谝陨弦?，選用了遵循總線串行擴展技術(shù)的24C256。單片機和24C256 之間的數(shù)據(jù)交換完全遵照IIC 總線的規(guī)定，即單片機作為主機，24C256 作為從機，所有操作都是由SDA 和SCL 2 個腳位的狀態(tài)（共有4 個狀態(tài)：開始、停止、數(shù)據(jù)和應(yīng)答） 來確定。24C256 和單片機的連接圖如圖8 所示。



圖8 　24C256 和單片機連接圖

1.2.7  時鐘模塊

采用實時時鐘芯片DS12C887 為系統(tǒng)產(chǎn)生時間基準，它和單片機的連接如圖9 所示?？僧?dāng)作單片機的外部RAM處理，通過P0 口對DS12C887 進行操作，通過其中斷引腳IRQ向單片機發(fā)出中斷，使單片機讀出時間。



圖9 　DS12C887 和單片機連接圖

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件框圖如圖10 所示。一級目錄分為上位機程序、通信程序和下位機程序；二級目錄分為數(shù)據(jù)采集程序模塊、模擬多路開關(guān)控制程序模塊、數(shù)據(jù)處理程序模塊、下位機通信程序模塊、上位機通信程序模塊、顯示程序模塊、存儲程序模塊、時鐘程序模塊以及鍵盤控制模塊。每個二級程序模塊又由更小的函數(shù)組成，這樣的設(shè)計方法容易修改和測試。



3 結(jié)語

軟件程序設(shè)計按照自頂向下的原則，按功能模塊化劃分采用C 語言編程實現(xiàn)各模塊功能，以子程序的形式進行封裝對外部提供規(guī)定的接口，再按照系統(tǒng)流程要求進行模塊組合最后實現(xiàn)整個系統(tǒng)。