毕业设计（论文）基于RS485现场总线的温度采集模块的设计

河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic institute 毕业设计（论文） 题目：温度采集器班级：生产过程自动化0901姓名：指导老师： 河南工业职业技术学院毕业设计说明书摘 要温度是现代工业生产过程中的一个重要参数, 在生产过程中常需对温度进行检测和监控，特别是在电力、化工等大型自动化企业的生产过程中往往需要监视和测量几十个温度参数。在某些特殊的生产场合 (比如印染和炼油)，温度参数测量和控制的精度直接影响后续产品的质量。本文介绍一种基于RS485现场总线的温度采集模块的设计方法。热电阻随温度的变化而产生不同的电阻信号，电阻信号经过恒定电流变成模拟电压信号，单片机内部多路模拟开关电路对模拟信号进行采集，A/D转换模块对采集到的信号进行模数转换，把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机，单片机通过RS485现场总线实现与PC机的挂接。由于电阻值与温度值之间是非线性关系，为了提高测量精度克服非线性误差，减少分度表的存储量，采用二次插值算法计算温度数值，使测温分辨率达到了0.05，测温精度优于0.1。单片机通过现场总线能够把温度值以MODBUS协议的形式发送给PC机，实现了工控计算机的现场总线集中管理。关键词：温度采集；PT100热敏电阻；RS485总线- I -AbstractTemperature is the process of modern industrial production as an important parameter, in the production process often required to detect and monitor the temperature, especially in the electricity, chemical industry and other large enterprises, automation of production processes often require dozens of monitoring and measuring the temperature parameters. Production in some special occasions (such as printing and dyeing and refining), temperature measurement and control parameters directly affect the accuracy of follow-up to the quality of the product.In this paper, based on the temperature RS485 fieldbus module design method of collection. Thermal resistance with temperature changes in the resistance of different signals, resistance constant current signal into the analog voltage signal, single-chip multi-channel analog switches internal circuitry of the analog signal acquisition, A / D converter module of the signal collected analog-to-digital conversion, to convert digital signals received, respectively, in accordance with the sequence into single-chip, single-chip RS485 fieldbus through with PC-articulated.As the resistance value and temperature is non-linear relationship between, in order to improve the measurement accuracy to overcome the non-linear error, reducing the index storage table, the use of quadratic interpolation algorithm for calculating the temperature value, so that the temperature resolution of 0.05 , temperature measurement accuracy of better than 0.1 . Single-chip microcomputer through fieldbus temperature in order to be able to MODBUS agreement sent to the PC, the realization of the Industrial Fieldbus computer for centralized management.Key words: Temperature acquisition; PT100 Thermistor; RS485 bus- 31 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1设计的背景及意义11.2温度采集技术现状2第2章 设计方案选择与论证42.1设计要求及技术指标42.2 系统总体方案设计42.3温度传感器的选择52.3.1 热电阻温度传感器52.3.2集成电路(IC) 温度传感器52.3 通信接口的选择62.3.1 RS-232双机通讯接口62.3.2 RS-422串行通讯接口62.3.3 RS-485串行通讯接口62.4单片机的选择7第3章 硬件设计83.1单片机接口电路83.2温度信号采集电路83.2.3恒流源电路仿真103.3 RS485接口通信电路113.4 6N137光电隔离电路113.5开关电源电路123.5.1 PWM芯片TOP220工作原理123.5.2开关电源电路及工作原理13第4章 软件设计164.1 温度值计算164.2 MODBUS现场总线协议164.3主程序流程框图184.4系统初始化子模块程序设计184.5串口通信子模块程序设计18第5章 使用工具介绍205.1电子设计工具ProtelDXP205.2仿真工具Multisim924第6章 结 论27参考文献28附录A PT100铂电阻的温度和阻值对应关系表29附录B总体电路原理图31致 谢32第1章 绪论1.1设计的背景及意义温度是现代工业生产过程中的一个主要参数，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，特别是在电力、化工等大型自动化企业的生产过程中往往需要监视和测量几十个温度参数。在某些特殊的生产场合 (比如印染和炼油 )，温度参数测量和控制的精度直接影响后续产品的质量。自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛：第一是家用电器业，例如全自动洗衣机、智能玩具；第二是通讯业，包括电话、手机和BP机等等；第三是仪器仪表和计算机外设制造，例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外，汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置，由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断更新和发展，主要体现在以下几个方面：（1）信息化：DCS已从单一的控制系统，发展为集控制和管理于一体的综合信息系统。DCS提供了从生产现场到车间，再从工厂到公司，最后到企业集团的整个信息通道，充分体现了信息的全面性、准确性和实时性。（2）集成化：DCS已从单一封闭系统，发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备，甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享，为最终用户提供集成化综合系统。（3）智能化：随着人工智能、专家系统、自适应、预测和推理等先进控制技术的发展和应用，DCS也适时地融合这些新技术，实现先进的智能化控制功能。（4）开放式网络：DCS已从单一封闭网络，发展为开放式网络系统，通过互联网技术和IE浏览器，可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络安全，传统DCS采用软件防火墙，现代DCS不仅有软件防火墙，而且有硬件防火墙，既保证网络安全开放，又保证监控层的实时性。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300的控制站采用硬件防火墙技术。（5）容错以太网(FTE)：传统DCS用两条独立网络(A，B)实现冗余，两台设备之间只有一条通信路径，其本质是单条网络运行，故障时整条网络切换(A到B或B到A)，切换时间长，可靠性低。现代DCS用容错以太网(FTE，Fault Tolerant Ethernet) 。（6）无线网络技术：支持手持移动无线操作站，将无线技术与控制技术融为一体，进行现场操作监控、故障处理和仪表校验，实现操作与维护的无缝集成。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此无线网络技术。（7）数字视频技术：通过摄像头采集现场图像信息，再通过图像识别软件，进行图像处理，发现异常图像，立即发出报警信号，具有自动录像和录像回放功能，便于事故分析，并将数字视频技术与操作监控软件融为一体。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此数字视频技术。（8）先进控制站：DCS的基础是控制站，为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性，增强控制站的功能，而采用了一系列先进技术。例如，控制站采用无底板模块结构，独立倾斜式垂直插拔，散热效果好，接线维护方便；采用容错以太网(FTE)，硬件控制防火墙(冗余)，冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口；采用先进的预估控制算法，鲁棒性好，具有参数自整定功能。Honeywell公司的Experion PKS R300控制站是上述先进控制站的代表之一。随着现代信息技术的飞速发展，温度采集控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中，人们都需要对各类加热炉等温度进行采集和控制。温度采集与控制，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。1.2温度采集技术现状 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。 随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。第2章 设计方案选择与论证2.1设计要求及技术指标本课题要求设计出能够支持MODBUS协议的RS485现场总线通信的热阻型温度采集模块，该模块能够通过现场总线与工控计算机挂接。技术指标：1.输入信号：PT100；2.测温分辨：0.05；3.测温精度: 0.1；4.供电电源：220VAC10%；5.环境温度：-4585；6.环境湿度：85%；7.通信方式：RS485现场总线。2.2 系统总体方案设计针对本课题的研究内容是设计一款测量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工业现场总线协议的温度采集模块。该温度采集模块能够对6点温度进行实时采集，采用支持MODBUS工业现场总线协议的RS485光电隔离接口与PC机进行通信。基于以上功能，具体设计方案如图2-1所示。220VACC8051F410单片机多路模拟开关RS485接口电路PC机开关电源电路PT100(1)信号放大(1)信号放大(2)PT100(2)PT100(6)信号放大(6). . .+5V-5VGNDA/D接口图2-1 实施方案原理框图根据上述研究内容和技术要求，采用图2-1所示设计方案。在图2-1中包含采集放大电路，主控单元，RS485接口电路，电源电路等4个主要功能模块。采集放大电路：将热电阻信号转换为0-2v的模拟电压信号,用来测量温度；主控单元：采用C8051F410单片机作为整个电路的核心,控制采集通道的选择,数据的处理并与RS485接口电路相连接,进行数 据的传输和通信；RS485接口电路：实现PC机与现场总线模块之间的通讯；电源电路：将220VAC通过开关电源稳压电路输出+5V和-5V电压,给模块中的各部分电路提供工作电源。其中，采集放大电路采用三线制接线法，来消除导线引入的测量误差。因为C8051F410单片机中自带A/D转换接口，因此不需要单独设计A/D转换电路。2.3温度传感器的选择2.3.1 热电阻温度传感器热电阻是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：1测量精度高。因热电阻直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。2测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电阻最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。3构造简单，使用方便。热电阻通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。2.3.2集成电路(IC) 温度传感器集成电路(IC) 温度传感器性能离散度很大, 用于高精度测量时, 必须进行校准。测温铂电阻温度系数的离散度很小, 精确度高, 灵敏度也较好, 特别适用于1000 度以下的温度测量, 但价格昂贵。集成电路温度传感器利用了半导体PN 结电流电压特性和温度的相关性, 和热敏电阻、热电偶相比, 最大优点是输出线性好, 测温精度较高。感温部分、传感器驱动部分、信号处理部分等电路均集成化并封闭在一个小型管壳内, 使用方便。题目设计要求输入信号为PT100；测温分辨为0.05；测温精度为0.1；综合以上因素考虑选择热电阻温度传感器(PT100)。PT100铂电阻的温度和阻值对应关系见附录A2.3 通信接口的选择2.3.1 RS-232双机通讯接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。如果双机通讯距离在30m之内，可利用RS-232标准接口实现点对点的双机通讯。2.3.2 RS-422串行通讯接口RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是104k+100（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。2.3.3 RS-485串行通讯接口由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。综上所述，RS-232双机传输距离太短，故不采用。RS-422A双机通讯需四芯传输线，这对工业现场的长距离通信是很不经济的，因此采用RS-485串行通讯接口。2.4单片机的选择C8051F410 MCU 在 CIP-51 内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统允许大量的模拟和数字外设独立于微控制器工作，只在必要时中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预，因而有更高的执行效率，并使多任务实时系统的实现更加容易。 C8051F410内部有一个12位SAR ADC和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC的最大转换速率为200ksps。 ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的输入。端口02可以作为ADC的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压（VDD）也可以作为ADC的输入。用户固件可以将ADC置于关断状态或使用突发模式以节省功耗。C8051F410内部 24个I/O引脚，端口引脚被组织为三个8位端口。端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为数字或模拟I/O引脚。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被单独或总体禁止，以降低功耗。根据设计要求，只需一个全双工串行接口，一个A/D转换电路，一个多路模拟开关电路，因此C8051F410单片机足以满足控制要求，功耗较低。因此选择C8051F410 单片机作为主控制器。第3章 硬件设计本设计硬件电路由采集放大电路，主控单元电路，RS485通信接口电路，光电隔离电路，稳压电源电路组成，总体硬件电路图见附录B。3.1单片机接口电路C8051F410单片机接口如图3-1。图3-1 C8051F410单片机VDD为内核电源，VIO为I/O电源，GND为地。 VRTC-BACKUP为smaRTClock后备电源，P1.0- P1.5为6路模拟信号的接收端，R（P0.5）、T（P0.4）为数字串口的接收和发送端，C2D和C2CK是JTAG下载调试接口。VCC为5.0V电源接口。GND为地接口。XTAL3端口为smaRTClock振荡器晶体输入端，XTAL4端口为smaRTClock振荡器晶体输出端。3.2温度信号采集电路热敏电阻温度采集模块由精密稳定恒流源电路，热敏电阻PT100构成的信号采集电路，A/D转换电路构成。热敏电阻PT100根据温度信号变化电阻阻值发生变化，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量，在热敏电阻PT100组成的采集电路加一恒定电流，产生一个模拟的电压信号，经过A/D转换成单片机可以识别的数字信号，输入单片机进行处理。热电阻测温模块原理框图如图3-2。精密稳定恒流源由热电阻PT100构 成的信号采集电路A/D转换电路单片机恒定电流温度信号 模拟电压信号 数字电压信号3-2 热电阻测温模块框图热电阻PT100的三线制接法测量电路如图3-3所示为消除引线引入的测量误差 , 热电阻的测量采用三线制接法。图3-3热电阻信号测量电路在图3-3中,由于R12 +R13RT+2R,R15+RR则有V2= I ( KT + 2 R) (3-1)V1= I R (3-2)V4= V3=1/3V2 (3-3)(V1-1/3*V2)/R15=(1/3*V2-V0)/(R23+R19) (3-4)V0=(R24*VR1)/(R17+R24) (3-5) 带入各电阻值整理得: VR1=11*I*RT (3-6) V0=I*RT (3-7)由式(3-7)可见, 热电阻测量电路的输出电压仅与电流I和热阻RT有关 ,与r无关,消除了由导线电阻引入的测量误差。本设计采用由LM258构成的精密恒流源电路。在图3-3中3脚电压为V+，2脚电压为V-，输出电压为Vo，则由虚断可知V+ = V-，虚短可知I+ = I-。所以有： （3-8） （3-9） 将式（3-9）代入式（3-8）得 V，所以恒流源输出电流1mA 3.2.3恒流源电路仿真仿真电路图如图3-4所示。图3-4 恒流源电路仿真图如图3-4所示，恒流源输出稳定电流I ,经过负载电阻R1，R1=1.0K，由万用表测得电压为1.001V，由此得I=1mA。3.3 RS485接口通信电路RS-485总线采用双绞线差分传输方式 ,可连接成半双工和全双工方式 ,最远传输距离为 112 km.系统数据通信采用半双工通信方式 ,即整个网络中任一时刻只能由一个节点成为主节点 ,处于发送状态 ,并向总线发送数据 ,其他的节点都必须处于接收状态 ,如果2个或2个以上节点同时向总线发送数据 ,将导致所有发送方发送数据失败 ,因此通信网一般采取主从式 ,即主节点控制整个网络的通信时序 ,使总线上的各节点分时使用总线 ,解决总线数据传输的冲突。由于设计的控制器具备现场总线通信功能，支持 MODBUS协议与组态软件直接挂接,因此设计了RS485通信接口电路。为适应供电系统，RS485器件选择 SP3485 芯片。图3-5为 SP3485 芯片与C8051F410片上系统的接口电路，微处理器的UART串口的TXD连接到 SP3485芯片的DE和 /RE引脚，RXD连接到SP3485芯片的RO引脚。由微处理器输出的TXD信号控制SP3485芯片的发送器 /接收器使能，此时微处理器可以向RS485总线发送数据。任一时刻，SP3485芯片中的“ 接收器”和“ 发送器” 只能够有一个处于工作状态。连接至A引脚的上拉电阻 R3、连接至B引脚的下拉电阻R5用于保证无连接的SP3485芯片处于空闲状态,提供网络失效保护，以提高 RS485节点与网络连接的可靠性。 图3-5 RS485通信接口电路3.4 6N137光电隔离电路在未采用光电隔离器的电路中，源部分由隔离变压器隔离，减少电网中的噪声影响，数字电源和模拟电源不共地，由于模拟电路一般只有15V，而AD转换器还需要+5V电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离，+5V电源由+15V模拟电源经DC-DC变换器得到。模拟电路以及AD转换电路与数字电路的信号联系都通过6N137。逐次比较型AD并行输出12位数据，每一路信号经缓存器后送入6N137的脚3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用470，输出端上拉电阻选用47k，输出端电源和地间（即6N137的脚8与脚5间）接0.1uF瓷片电容，作为旁路电容以减少对电源的干扰，6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时才工作，减少工作电流。模拟电路和AD转换所需的各路控制信号也通过6N137接收，接法同上，在时序设计中要特别注意6N137约有50ns的延时，与未采用光电隔离器的数据采集电路相比，系统信噪比提高了一倍以上，满足了系统设计要求。如图3-6。图3-6 光电隔离接口电路3.5开关电源电路3.5.1 PWM芯片TOP220工作原理该芯片仅有漏极端 、控制端和源极端三个管脚 。主要由 10部分构成：控制电压源 带隙基准电源 振荡器 并联调整器 误差放大器脉宽调制 器 门驱动级和输出级过流保护电路 过热保护及上电复位电路 关断 自动需启动电路 高压电流源 。芯片内部带有高频 、高压型功率器件和振荡器高达的电压模式脉宽调制器较好地解决了功率电子学中高压、高频和功率三者的关系。芯片内部还具有的启动电路 ,自锁定保护电路、环路补偿电路、误差放大器 ,及利用本身的导通电阻来代替外部过流检测电阻实现的过流保护更是该芯片的一大优点 ,使器件工作的可靠性、稳定性得到保证。芯片实现脉宽调制的工作原理启动操作时 ,漏极端 由内部电流源提供偏置电流流入芯片 ,提供开环输入 ,该输人通过旁路调整误 差放大器时 ,控制端实现闭环调整 ,通过改变 ,经由控制的输出占空比 ,达到动态平衡 ,实现脉宽调制原理 。由此可见 ,芯片不仅在内部电路结构、功能 ,提高效率方面 ,可靠性方面均优于分立元件组成的高压 ,高频脉宽调制电路 ,该芯片为核心实现高效开关稳压电源是非常理想的器件。3.5.2开关电源电路及工作原理1开关稳压电源的结构图3-7 电源稳压电路图LVD C RL UO整流滤波激励信号图3-7画出了开关稳压电源的原理图。它是由全波整流器、开关管、激励信号、续流二极管VD、储能电感和滤波电容组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变换器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。逆变器是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。直流变换器是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不相同的多种直流供电压。2开关稳压电源的优点(1) 功耗小，效率高。在图3-8所示的开关稳压电源电路中，晶体管受激励信号的控制，交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，晶体管的功耗很小，由于频率高，电感量要求小，变压器的铜损小，所以电源的效率可以大幅度地提高，能达到80。(2) 体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到，由于没有采用笨重的工频变压器。调整管上的耗散功率小，可以省去较大散热片。所以开关稳压电源的体积小、重量轻。(3) 稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以开关稳压电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。(4) 滤波的效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在20kHz以上，是线性稳压电源频率的400倍以上，整流后的滤波效果几乎也提高了400倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了200倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/2001/400，随着频率的增加会更小。(5)电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出满足不同应用场合的开关稳压电源。图3-8 开关电源原理图市电220VAC 供电的开关电源是应用最多的开关电源，在众多用于市电220VAC 供电的开关电源集成电路中，最有代表性的是Power Integrations 公司生产的TOP2XX 系列新型开关电源集成电路，该系列器件的特点是构成开关电源的外围电路少，可靠性高。如图3-8所示，采用TOP200 开关集成电路，C14、C28、C29 为滤波电容，L2 和C37构成输出滤波器。D5和D3 构成放电保护电路。D8，D9，D10 分别为输出端整流二极管，C25 为反馈端滤波电容。U5 为光电隔离器。通过TL431反馈调节电压控制光偶隔离器发光的强弱，发光强度越强光电流就越大，光偶输出电流也就越大，从而控制TOP200的开关时间，调节变压器输出大小，使输出稳定的电压+5V。第4章 软件设计4.1 温度值计算温度值的计算由单片机来完成，启动ICL7135开始一次新的转换，判断转换结束后读取转换结果并作数字滤波处理 (滑动平均值滤波 )。单片机将处理后的 A /D值转换成对应的电阻值，用该电阻值查分度表中相邻三点的数字量，代入二次插值公式求出测得的温度值。由于电阻值与温度值之间是非线性关系，为了克服非线性误差以提高测量精度，减少分度表的存储量，用二次插值算法计算温度数值。T =( x - x2 ) ( x - x3 ) x4/( x1 - x2 ) ( x1 - x3 )+( x - x1 ) ( x - x3 )/( x2 - x1 ) ( x- x3 )x5+( x - x1 ) ( x - x2 )/( x3 - x1 ) ( x3 - x2 )| x64.2 MODBUS现场总线协议 MODBUS是MOD I CON公司最早为它的可编程控制器设计的基于RS2 485通讯介质的一个现场总线协议，目前在工业控制领域获得了比较广泛的应用 2，3 。硬件系统能选择设置ASCII或RT U两种传输模式中的任何一种在标准的MOD2BUS网络中通信.用户选择想要的模式，包括波特率、校验方式等串口通信参数，在配置每个控制器的时候，在一个MODBUS网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。目前最常用的就是RTU模式，即二进制方式 46 .使用RTU模式，对于主控制器，一个典型的发送消息帧如表4-1所示:表4-1 MODBUS协议RTU模式典型的发送消息帧起始间隔设备地址功能代码数据CRC16校验结束间隔T1-T2-T3-T41个8位字节1个8位字节n个8位字节2个8位字节T1-T2-T3-T4消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个字节是设备地址，网络设备不断侦测网络总线。当第一个字节接收到后，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后 ,一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间 ,接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址字节。同样地 ,如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接到前一个消息开始 ,接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误 ,因为在最后的CRC字节的值不可能是正确的。对于被呼叫的远程终端设备，它的具体应答格式如表4-2所示:表4-2被呼叫的远程终端设备的应答格式设备地址功能代码数据数量数据 1数据 nCRC高位CRC低位基于现场总线的控制器只使用了03命令和06命令。03命令为读取保持寄存器 ,在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值 ,例如读取一个采集器的采集结果。06命令是写单寄存器,即把一个 16位二进制数装入一个保持寄存器。主设备的03命令发送格式如表4-3所示,03命令支持 1128个数据的读取 ,返回的数据都是整形字 ,每个占用两个字节。如果读取多个字节 ,那么一定是一组地址连续的数据 ,从设备03命令应答格式如表4-3所示:表4-3 主设备的03命令发送格式设备地址功能代码数据起始地址高位数据起始地址低位读取的数据寄存器个数高位读取的数据寄存器个数低位CRC16校验1个字节031个字节1个字节1个字节1个字节2个字节表4-4 03命令应答格式设备地址功能代码返回数据字节计数数据 1高位数据 1低位数据 n高位数据 n低位CRC16校验1个字节032个字节1个字节1个字节1个字节1个字节2个字节主设备的06命令发送格式如表4-5所示 ,06命令仅支持一个输出寄存器的刷新 ,要求从机把原样数据发回作为应答。表4-5 06命令发送格式设备地址功能码数据地址高位数据地址低位数据高位数据低位CRC16校验1个字节061个字节1个字节1个字节1个字节2个字节4.3主程序流程框图主程序包含系统初始化子程序、通信子程序、数据处理子程序等三个模块。如图4-1所示。开始 系统初始化子程序数据处理子程序通信子程序图4-1主程序流程框图4.4系统初始化子模块程序设计初始化E2PROM串行口、定时器初始化各种变量初始化子程序返回图4-2系统初始化程序流程图系统初始化是使系统能够按照设计期望运行的必要条件，包括对内部或外部可编程模块的初始化，以及所用到的全局变量作初始赋值。系统初始化子程序框图如图4-2所示。4.5串口通信子模块程序设计根据设计要求需PC机由CPU 完成数据发送和接收。故上、下位机之间进行通讯，采用标准的现场总线通讯协议MODBUS协议。数据每桢为8个字节，具体格式如表4- 6和表4-7 所示。通讯程序程序框图如图4-3所示。表4-6 数据读取传输格式站号03号命令写地址写地址数据数据CRC校验CRC校验表4-7 数据写传输格式站号06命令号数据数据数据数据CRC校验CRC校验在通讯协议中只用了两个命令，03 号命令和06号命令，03号命令代表要求发送数据，06号命令代表要求从机原样数据发回作为应答。串口接收中断判断协议命令号发送数据是否通过CRC校验子程序返回否是图4-3 通信程序流程图第5章 使用工具介绍5.1电子设计工具ProtelDXPAltium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。Protel DXP 2004新特点：1. 整合式的元件与元件库在Protel DXP 2004中采用整合式的元件,在一个元件里连结了元件符号(Symbol)、元件包装(Footprint)、SPICE元件模型(电路仿真所使用的)、SI元件模型(电路板信号分析所使用的)。2. 版本控制可直接由Protel设计管理器转换到其他设计系统，这样设计者可方便地将Protel DXP 2004中的设计与其他软件共享。如可以输入和输出DXP、DWG格式文件，实现和Auto CAD等软件的数据交换，也可以输出格式为Hyperlynx的文件，用于板级信号仿真。3. 多重组态的设计Protel DXP 2004支持单一设计多重组态。对于同一个设计文件可指定要使用其中的某些元件或不使用其中的某些元件，然后产生网络表等文件。4. 新的文件管理模式Protel DXP 2004提供三种文件管理模式。可将各文件存入入单一数据库文件，即Protel 99SE的ddb，也可以存为Windows文件，即一般的分离文件，而不需要数据库管理系统(ODBC)，就可以存取该文件，此外新增了一个混合模式，也就是在数据库外存为独立的Windows文件。5. 多屏幕显示模式对于同一个文件，设计者可打开多个窗口在不同的屏幕上显示。6. 可定义电路板设计规则在原理图设计时，定义电路板设计规则是非常实际的。虽在先前版本的Schematic中就已提供定义电路板的功能，可是都没有实际的作用。而在Protel DXP中落实了这项功能，让用户能在画电路图时就定义设计规则。7. 设计者可定义元件与参数Protel DXP 2004提供了无限制的设计者定义元件及元件引脚参数，所定义的参数能存入元件及原理图里。8. 尺寸线工具Protel DXP 2004提供了一组超强的画尺寸线工具，在移动时会自动修正尺寸，这对于PCB中一些层的定义有很大的帮助。9. 改善加强板层分割功能Protel DXP 2004提供了加强的板层分割功能，对于板层的分割自动以不同颜色来表示，让设计者更容易辨别与管理。10. 加强绘图功能Protel DXP 2004增强了波形窗口的绘图功能，例如放置标题栏、标记画线等，同时Windows的编辑功能在此也可以应用。11. 直接在电路板里分析设计者可以直接在PCB编辑器里进行信号分析，这样信号分析更加方便。12. 强化模型整合在Protel DXP 2004中提供了高速整合的元件，元件包括信号分析的模型（SI Model），设计者不必再为元件问题而烦恼了。Protel DXP工作界面如图5-1。绘制电路图如图5-2、图5-3、图5-4、图5-4。图5-1 工作界面图5-2 基于现场总线的温度采集模块总体电路图图5-3 光电隔离电路图5-4 RS485通信电路图5-5 温度信号采集电路5.2仿真工具Multisim9Multisim9概述Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim9与LABVIEW 8的完美结合：新特点：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器； （2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上； （3）所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。Multisim9组成：1 构建仿真电路2 仿真电路环境3 multi mcu - 单片机仿真4 FPGA、PLD，CPLD等仿真5 FPGA、PLD，CPLD等仿真6 通信系统分析与设计的模块 7 PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图8 （自动布线模块）仿真的内容：1 器件建模及仿真；2 电路的构建及仿真；3 系统的组成及仿真；4 仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。电路的构建及仿真：单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。系统的组成及仿真：Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如信号与系统、通信、网络等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作。Multisim9工作界面如图5-6，仿真电路如图5-7所示。图5-6 multisim9工作界面图5-7 恒流源仿真电路 第6章 结 论本文在对当前温度采集系统现状分析的基础上，结合当前采集技术发展的趋势，设计出能够支持MODBUS协议的RS485现场总线通信的热阻型温度采集模块，它是以C8051F410单片机系统为基础的，通过对热电阻随温度的变化而得到的模拟信号进行采集，C8051F410单片机内部多路模拟开关实现多路模拟信号的采集，并把采集的数据经过单片机进行处理。电阻值与温度成非线性关系，而且实际电路参数均有非线性误差，为了提高测量精度克服