基于ATMEG128L-8AI處理器和RS-485總線實(shí)現(xiàn)多路溫度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

在孵化設(shè)備的科研過程中，常常用多路溫度測(cè)試儀來對(duì)孵化機(jī)器內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，而我們以前用的多路溫度測(cè)試儀是用兩片16選1的模擬開關(guān)來完成對(duì)32路溫度的測(cè)量， 溫度的采樣時(shí)間受模擬開關(guān)開通關(guān)斷時(shí)間的限制，開關(guān)信號(hào)對(duì)溫度采樣也造成了一定的干擾。在實(shí)際使用過程中還常受到溫度采樣路數(shù)（如8路、20路、64路、 70路，128路等）的限制，為能更靈活的應(yīng)用該多路溫度測(cè)試儀，我們采用了主從機(jī)RS-485通訊的模式來完成多路溫度的測(cè)量。每個(gè)從機(jī)采樣8路溫度并作為一個(gè)模塊，每個(gè)從機(jī)有獨(dú)立的地址，這樣我們就可以在主機(jī)通訊負(fù)載能力范圍內(nèi)靈活的配置從機(jī)模塊的數(shù)量，并且能提高溫度采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為科研實(shí)驗(yàn)提供便利工具。

硬件設(shè)計(jì)

總線式主從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

主機(jī)我們采用Atmel公司的高性能8位處理器ATMEG128L-8AI，該芯片具有128k的ISP-FLASH、4k的EEPROM、4k的 SRAM，該芯片容量大、可重復(fù)在系統(tǒng)編程、指令豐富并且執(zhí)行速度快。

主機(jī)主要完成以下功能：從機(jī)地址識(shí)別、與從機(jī)的通訊、實(shí)時(shí)溫度顯示、按鍵處理、溫度軟校準(zhǔn)以及從機(jī)擴(kuò)張選擇，主機(jī)功能框圖如圖2。實(shí)時(shí)溫度顯示采用19264單色點(diǎn)陣液晶，該液晶沒有背光時(shí)仍能正常查看，只是為了在夜間查看，我們?cè)黾恿艘壕П彻夤δ堋囟溶浶?zhǔn)功能是為了保證多路溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，消除系統(tǒng)誤差。在實(shí)際測(cè)量過程中，很難保證用來測(cè)量的不同的溫度探頭的一致性，電路結(jié)構(gòu)、探頭線長(zhǎng)度、以及每個(gè)溫度傳感元件本身的不一致性都最終影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了方便校準(zhǔn)，我們可利用軟件對(duì)單個(gè)溫度探頭或全部溫度探頭進(jìn)行軟件校準(zhǔn)。這樣盡量減小各個(gè)溫度探頭的不一致而帶來的測(cè)量差值。為保證主機(jī)的可靠工作，在電路中還增加了處理器監(jiān)控芯片MAX706，用來監(jiān)控電源電壓和系統(tǒng)是否正常工作，否則發(fā)出復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)恢復(fù)正常。從機(jī)擴(kuò)展功能主要是用來選擇從機(jī)模塊的數(shù)量，如果從機(jī)數(shù)量為1，則在該功能選項(xiàng)中選擇“1路采樣模塊”，依次類推，考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)溫度探頭數(shù)量的要求，本系統(tǒng)中最大的從機(jī)模塊配置數(shù)量為8，也就是最多可以測(cè)量64路溫度信號(hào)。

主機(jī)的按鍵是行列線組成的2輸入4輸出結(jié)構(gòu)形式，采用定時(shí)掃描，利用MCU內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生10ms定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)中斷時(shí)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能程序。

從機(jī)采用Atmel公司的ATMEG16L-8AI作為處理器，該芯片具有16k的ISP-FLASH、512B的EEPROM、1k的SRAM，該芯片同樣可以在系統(tǒng)編程，該芯片具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)采樣的基準(zhǔn)電壓為5V時(shí)，系統(tǒng)的采樣精度可達(dá)到5毫伏每字，即基準(zhǔn)電壓變化5毫伏，采樣的數(shù)字量變化1個(gè)字。

從機(jī)模塊主要完成8路溫度采樣、與主機(jī)的通訊、硬件地址編碼，從機(jī)功能框圖如圖3。每個(gè)從機(jī)模塊有個(gè)地址編碼跳線器，由硬件完成對(duì)該模塊的地址編碼。這樣在擴(kuò)張時(shí)，將每個(gè)模塊的地址唯一確定，不會(huì)由于通訊地址的重復(fù)造成通訊的不成功。我們采用的RS-485芯片最多可以負(fù)載32個(gè)從機(jī)模塊，RS-485芯片采用Maxim公司的MAX483CPA。不同的RS-485芯片，其負(fù)載能力不同，有的RS-485芯片如MAX487可以帶120個(gè)負(fù)載，MAX1487能夠?qū)⒇?fù)載數(shù)量擴(kuò)大到230個(gè)。

RS-485串行通訊

在工程實(shí)踐當(dāng)中，多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎每偩€方式，傳送數(shù)據(jù)采用主從機(jī)結(jié)構(gòu)的方法。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10kb/s速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)12m，而用100kb/s時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。本系統(tǒng)的波特率設(shè)置為2400b/s。

圖1就是用RS-485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信。主機(jī)采用8位微處理器ATMEG128L，從機(jī)采用ATMEG16L。每個(gè)從機(jī)通過地址編碼擁有自己固定的地址，由主機(jī)控制完成網(wǎng)上的每一次通信。圖4是MAX485和微處理器的接口電路，A、B為RS-485總線接口，D是發(fā)送端，R為接收端，分別與單片機(jī)串行口的TXD、RXD連接，由于采用半雙工通訊，所以還有收發(fā)控制端，MAX485的RE、DE為收發(fā)使能端，由微處理器的 PE4（主機(jī)）、PC5（從機(jī)）口作為收發(fā)控制。該控制口高電平時(shí)，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)，將微處理器TXD處的數(shù)據(jù)經(jīng)A、B差分送出到RS-485的總線上;當(dāng)該控制口為低電平時(shí)，MAX485處于接受狀態(tài)，將RS-485總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平的信號(hào)由R端輸出到微處理器的RXD端。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號(hào)的影響。應(yīng)將總線上差分信號(hào)的正端A+和+5V電源間接一個(gè)10KW電阻;正端A+和負(fù)端B-間接一個(gè)10KW電阻;負(fù)端B-和地間接一個(gè)10KW電阻，形成一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，正端A+的電平大約為3.2V，負(fù)端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號(hào)，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)0，從而增加了總線抗干擾的能力。

本系統(tǒng)對(duì)RS-485串行通訊的應(yīng)用電路中，在A和B端預(yù)留了上拉電阻、和AB之間的匹配電阻，但實(shí)際使用過程中，由于通訊距離很短（10m以內(nèi)），所以匹配電阻并沒有焊上，而是在MAX485和微處理器的TXD和RXD接口處增加了兩個(gè)10KΩ的上拉電阻。用示波器測(cè)量其通訊信號(hào)波形時(shí)，發(fā)現(xiàn)R2、R3兩個(gè)上拉電阻接上后，通訊數(shù)據(jù)的波形得到了明顯的改善，通訊成功率大大提高。

RS-485通訊需要嚴(yán)格遵循通訊協(xié)議，否則通訊是不會(huì)建立起來的。尤其是在主從機(jī)采用不同的處理器時(shí)，軟件處理一定的仔細(xì)查看其說明文件，不能一視同仁。在本電路的實(shí)驗(yàn)過程中，就發(fā)現(xiàn)一個(gè)波特率設(shè)置的問題。波特率的設(shè)置公式如下：

BAUD= Fosc/16（UBRR+1）

其中BAUD為通訊速率，F(xiàn)osc為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，UBRR為波特率寄存器UBRRH、UBRRL中的值（0~4095）。

波特率的設(shè)置公式中用到了微處理器的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Fosc，我們的主從機(jī)雖然都使用了外部4M晶振，但主機(jī)內(nèi)部將4M頻率三分頻，而從機(jī)仍然使用4M主頻，軟件編寫過程中，將主從機(jī)的波特率寄存器初始化值置為一樣的，這樣就造成了主從機(jī)的波特率相差2倍，通訊當(dāng)然是不能成功的。

為了保證通訊成功，開始時(shí)所有從機(jī)復(fù)位，即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機(jī)的呼叫。當(dāng)主機(jī)向網(wǎng)上發(fā)出某一從機(jī)的地址時(shí)，所有從機(jī)接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符，說明主機(jī)在呼叫自己，應(yīng)發(fā)回應(yīng)答信號(hào)，表示準(zhǔn)備好開始接收后面的命令和數(shù)據(jù);否則不予理睬，繼續(xù)監(jiān)聽呼叫地址。主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答后，則開始一次通信。通信完畢，從機(jī)繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待呼叫。由于發(fā)送和接收共用同一總線。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。接受狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過方向口高低電平的變化來完成的。

溫度采集和顯示

從機(jī)模塊完成的主要功能是8路溫度模擬信號(hào)的采集和向主機(jī)正確的發(fā)送這8個(gè)采樣溫度，本系統(tǒng)中采用溫度傳感器為AD590。AD590是一個(gè)電流型集成溫度傳感器，其輸出電流正比于絕對(duì)溫度，當(dāng)溫度為 273開氏度時(shí)，其輸出電流為273微安。溫度每變化1K（也可以理解為1℃），輸出電流變化1微安。將電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器后輸出0~5V（參考電壓為 5V）的電壓信號(hào)，經(jīng)過ATMEG16L的10位A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)存放在從機(jī)的緩存區(qū)。當(dāng)主機(jī)發(fā)出與該從機(jī)相應(yīng)的地址信號(hào)后，從機(jī)應(yīng)應(yīng)答并將采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線送給主機(jī)并顯示在液晶屏幕上。

從機(jī)通過自己的A/D口直接進(jìn)行模擬量采集比利用多路模擬開關(guān)來采集數(shù)據(jù)要方便的多，為使采樣的溫度數(shù)據(jù)更接近實(shí)際值，我們?cè)谲浖显黾恿艘恍┨幚泶胧缜蠖啻尾蓸拥钠骄?、中值濾波等。

為消除一些人為造成的誤差，我們?cè)谠撝鲝臋C(jī)中使用了一個(gè)開關(guān)電源，這樣開關(guān)電源電壓的波動(dòng)對(duì)所有溫度探頭的影響是一致的。另外，所有的溫度探頭線的長(zhǎng)度都保持一致。溫度探頭線和主從機(jī)的通訊線都必須使用屏蔽雙絞電纜，并將屏蔽電纜進(jìn)行良好接地。特別是在RS-485串行通訊中，主從機(jī)必須共地，否則嚴(yán)重時(shí)會(huì)有共模干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。

在實(shí)際的使用過程中，為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，還必須對(duì)每個(gè)溫度探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，一般情況下，我們將32個(gè)或64個(gè)溫度探頭盡量放在一起，并將其統(tǒng)一放在一個(gè)溫度比較穩(wěn)定的老化實(shí)驗(yàn)箱中，穩(wěn)定2個(gè)小時(shí)后，在同一點(diǎn)將所有的探頭校準(zhǔn)，并做升溫處理觀察在升溫后各個(gè)溫度點(diǎn)的探頭測(cè)量值是否保持一致。否則應(yīng)在高溫段再校準(zhǔn)并做降溫過程的跟蹤觀察。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了主從機(jī)用RS-485串行總線，完成對(duì)多路溫度信號(hào)的測(cè)量。特別介紹了RS-485通訊電路在實(shí)際使用中的一些措施 。孵化設(shè)備多路溫度測(cè)試儀器正是采用了這些措施，使得測(cè)試過程中通訊穩(wěn)定，測(cè)量路數(shù)配置靈活，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

責(zé)任編輯：gt