数据中央采集系统的仿真分析与研制的效果发展

　中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）32-0023-03
　　当今电子科学技术得到了快速发展，各种智能化控制系统、工业数据采集系统等在工业生产过程中起到了十分重要的作用。环境参数控制是大多数生产型企业的首要任务，如今数据采集技术发展迅速，出现了大量模拟量数据传感器、采集器。但此类设备采集点单一，每次采集需先停止现场设备后方可进入现场，取出采集器内部记录卡或是通过人工读取采集器上面的数据进行记录，不但影响生产效率、增加了劳动强度，同时频繁地进出采集容易造成关键数据环境的破坏，影响产品质量与精度。
　　1 系统原理
　　图1 系统结构原理图
　　系统结构如图1所示，利用终端变送器将采集的关键参数（例如温度、湿度、压力、pH值等）转换为4～20mA的电流信号或0～5V电压信号，可实现200m长距离信号传输，该类型传感器具有精度比较高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。系统单片机采用深圳宏晶科技的STC90C52RC，具有低功耗、高速和抗干扰强的优点，指令代码完全兼容传统的8051单片机，管脚也和AT89C51兼容，而且在此基础上增加了许多便于操作的功能。单片机主要负责完成各路采集点数据的收集和转换，将接收的模拟量信号转换为系统可识别的二进制数字信号。通过RS485、RS232总线和相关的协议来实现与智能传感器、上位PC机的通信。关键数据采集控制器定时与智能传感器通信以获得实时温度、湿度、pH值等关键参数信号，并进行数字化处理。上位机与数据采集控制器进行定时或随时通信可以得到各个传感器的最新采样值，并对数据进行储存和处理，以备查询分析及备份打印。
　　2 上位机通讯软件设计
　　图2 上位机与控制系统通讯原理图
　　人机交互系统采用主要基于单片机串口通信技术，实现主机与控制系统的数据交互。核心芯片采用宏晶系列芯片STC90C52RC，将采集并存储的数据实时地放入数据缓冲区Sbuf中，利用MSComm控件将数据缓冲区中的数据采集至计算机系统以完成上位机与下位机的通信。以标准9针串口作为双方物理接口，简洁、高效地完成全双工通讯功能，如图2所示为上位机与控制系统的通讯原理图。根据实际情况，以标准232串口协议为基根，RS232接口主要占用系统中的RXD、TXD、GND三个数据端口资源，TXD为数据发送端，其中RXD为数据接收端，GND为信号接地端。目前标准RS232串口的有效数据传输距离很短，在波特率较低设置的情况下，勉强可实现25M通讯，不能够适应多点和远程的数据的采集与监控，因此，为了满足生产使用需求，本系统要实现距离长达数百米的远距离数据传输，采用标准的RS232转RS485通讯转换器，进行232与485通信协议转换，最远传输距离可达1000m。为了提高抗干扰能力及通讯稳定性，目前上位机串口通讯采用标准EIA电平，而单片机串口输入输出为TTL电平。因此，采用MAX232芯片有效解决了双方的电平匹配问题。
　　在工业关键参数监测及反馈控制系统中，上位机与MCU之间的数据交互大多以串行通信为主要手段，它具有方便、高效并且标准统一的特点。目前，实现控制系统与上位机通讯的主要手段主要有三种方式：一是利用VC的标准通信函数，调用函数命令操作串口；二是利用Windows内部API函数，可实现串口通讯；三是使用Microsoft VB6.0 Mscomm通讯控件，VB是最为简洁、直观地面向对象的编程方法，支持Access和dBASE等多种数据库链接模式，模块丰富，极大地节省了编程时间，提高了设计效率。通过Mscomm控件可以创建全双工、时间驱动的、高效实用的通讯程序。经常需要进行数据交换，串行通信是主要的通信手段，它高效、方便并遵循统一的国家标准。因此为了配合下位机的通讯工作，本系统采用第三种方法实现PC机与单片机的通讯，数据管理方面，利用VB6.0中的addoc控件，完成VB系统与Access 2003数据库管理软件的链接，将实时采集的关键数据定时保存至数据中，以备后续的查询和编辑等操作。系统的上位机人机交互界面如图3所示，将实时显示当前数据，具备参数上下限设定及超差报警、按时间顺序查询历史数据等重要功能。
　　图3 上位机操作界面
　　3 基于proteus硬件仿真实现
　　proteus作为EDA高效仿真工具，得到世界广泛认可与应用，从硬件设计、程序调试到MCU与外围电路协同仿真，连同PCB的绘制，实现了电路板加工之前的电路仿真。是目前最为优秀的电路仿真软件，同时具备PCB布线和虚拟模型仿真等优秀功能，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。系统选用Proteus 7.0 professional版本进行仿真调试，选用AT89C51代替STC系列完成单片机程序调试，选用74LS74作为分频电路将单片机产生的信号分频后作为系统的时钟信号。本系统通过proteus完成硬件电路的绘制与仿真分析，应用VSPD虚拟串口实现proteus与VB的上位机与下位机的通信测试，并验证了设计的可行性，极大程度地降低了设计风险。
　　4 系统PCB电磁兼容性设计
　　PCB（印制电路板）是电子系统的关键环节，本系统是多种电子元器件及电子线路的综合与集成，系统中含微弱模拟信号以及高精度A/D变换电路，强电与弱电相结合，具有工作电压低、速度快、高密度等特点。系统各种元器件在高度运转时存在一定干扰，各个电流回路之间通过公共阻抗相互耦合，高、低频干扰信号通过整流电路串扰到电路中，影响彼此正常工作及安全可靠性。因此，提高电路板抗干扰能力，解决其电磁兼容问题是电子系统能否正常工作的关键，针对上述问题，可采取以下有益措施：
　　第一，强电信号和弱电信号电气隔离，数字地与模拟地分开，由于数据采集端为24V直流信号输入，电压比较高，而控制系统统一采用5V供电，因此双方应采用单独铺地的策略，独自构成回路，降低对电源其他功能单元的干扰。
　　第二，重要信号或易受干扰信号采用光耦隔离，在设计电路板时，电源与地之间都要加一个去耦电容，一方面提供和吸收集成电路开关瞬间的充放电能，另一方面可以去掉该期间的高频噪声，尽量避免相互耦合产生干扰，同时应考虑对PCB进行合理分层及布局。
　　第三，各元器件在长期工作情况下产生一定热量，为了避免热 源彼此间相互影响。大功率发热元器件应靠近易于散热的位置，必要时加装散热片或导热管，适当加大发热元件之间的距离，并且远离热敏元件。
　　第四，PCB设计时，尽量加粗电源线和地线宽度，减少环路电阻，数字地和模拟地分开。因为高频电流是由接地噪声电压和数设备布线区域的压降产生的，所以在高速数字电路中优先使用多点接地。它的主要目的是建立一个统一电位共模参考系统。
　　5 结语
　　基于单片机的关键数据采集系统是一种比较智能、经济的方案，安装简单方便，系统稳定可靠，可维护性好，抗干扰性能好，能够满足温室环境的设计要求，具有很强的实用性。另外本系统还可推广应用到其他环境的关键数据检测系统或类似的参数检测系统中，具有很好的推广应用价值。
　　参考文献
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　　作者简介：谷学冕（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，北京百慕航材高科技股份有限公司中级电气工程师，硕士研究生，研究方向：数据采集与反馈控制。