32通道开关信号采集系统设计及实现.doc

32通道开关信号采集系统设计及实现摘 要：针对现代工业控制系统中开关量控制的问题，提出通过上位机与控制板的通讯来实现对开关量控制的方法，以STC89C51单片机为核心，设计了一种带有RS485通讯接口的多路开关量控制板，实现了开关量信号采集、控制、显示、判断及执行相应操作功能。 关键词：开关量；RS485；STC89C51；控制模块 Design of Switch Signal Acquisition Card with 32-Channels FAN Chen，LI Na-na，CAO Fan，YANG Zhen-kun （Xi an University City College，Shanxi Xi’ An 710018） Abstract: Aiming at control of switch quantity the method of controlling by communication between supervisory computer and controller board was come up with. A type of controller board with RS485 and modbus interface that takes STC89C51 as its core was designed. Some function comes true，such as collecting single-numbers，controling，displaying，judging and running operations. Keywords: switch quantity；RS485；STC89C51；controller board 在现代工业控制系统中，各级设备的启动、停止，对整个系统的运行状况有着一定的影响，对这些装置开关量信号的采集、动作时序的记录也显得尤为重要[1]。因此有必要设计一种开关量信号采集卡，来对这些信号进行采集，以便对设备运行状态、生产事故的检测和分析及查询提供依据。本文介绍的32通道开关信号采集卡采用增强型STC89C51单片机为核心，可对32路开关量输入信号进行采集，对开关量的跳变波形及发生时间进行实时测量，并将数据上传至上位机历史数据库。同时，可通过与上位机软件的配合对历史数据进行查询，以分析系统运行情况。 采集卡留有UART通讯接口，与控制器联网，将采集的数据输送到控制器处理后，再发送到工作站显示状态，并同时记录事件发生的时间和状态，将记录的数据存入工作站历史数据库。 1 信号采集卡总体设计 采集卡在卡件主面板上以32 通道LED灯指示通道信号状态，同时在通道与通道之间、通道与底板之间进行隔离，并实现了与现场的电磁屏蔽，以保证测量到的信号不受干扰。采集卡模块指标[2]如表1所示。 同时，采集卡通过UART通讯接口，通讯物理层使用RS-485总线驱动芯片SN65LBC184，通讯协议采用modbus协议，与控制器联网，将所采集的数据发送到控制器中。 2 采集卡硬件设计 32通道开关量信号采集卡硬件电路由信号采集电路、单片机系统、通讯接口电路、外接引脚、人机接口五部分组成，其硬件电路结构示意图如图1所示。 2.1 开关量信号采集电路 开关量信号采集电路是实现将现场的各路开关量信号采集送入处理芯片内，实际设计中采用增强型STC89C51单片机。现场32路开关量信号接入卡件测量端子，由于考虑到现场信号的波动和干扰，为了保证系统稳定、可靠运行，防止各类现场及电源干扰对系统的影响，通道中采用了光电耦合器，将卡件内部与现场输入信号进行隔离，从而实现信号的准确测量。实际设计中，采用了TLP521-4型光电耦合器，卡件测量通路的结构框图如图2所示。经过光电耦合器隔离转化后的信号，通过双向总线驱动器与处理芯片的数据总线相连接，将数据送入处理芯片STC89C51中进行处理[3]。 2.2 RS-485通讯电路 RS-485通讯电路的主要作用是将开关量输入数据上传给上位机，从上位机接收开关量输出数据，并和上位机保持实时通信。单片机串口信号TXD和RXD以及控制信号P4.2与SN65ALS176D连接。SN65ALS176D是SN5176行业标准范围内的差分数据线收发器。采用这类电路可提供可靠的低成本的直连(不带绝缘变压器)数据线接口，不需要任何外部元件，就可以完成将RS-485总线标准信号发送到Modbus网络中。 2.3 单片机系统 处理芯片选用增强型STC89C51，具有超强抗干扰能力，可抵抗4 kV快速脉冲干扰(EFT)，抗静电能力强，超宽工作电压范围可达5.5～3.4 V(5 V单片机)。而且