引言

在孵化設備的科研過程中，常常用多路溫度測試儀來對孵化機器內(nèi)部的溫度場進行測量，而我們以前用的多路溫度測試儀是用兩片16選1的模擬開關(guān)來完成對32路溫度的測量， 溫度的采樣時間受模擬開關(guān)開通關(guān)斷時間的限制，開關(guān)信號對溫度采樣也造成了一定的干擾。在實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，為能更靈活的應用該多路溫度測試儀，我們采用了主從機RS-485通訊的模式來完成多路溫度的測量。每個從機采樣8路溫度并作為一個模塊，每個從機有獨立的地址，這樣我們就可以在主機通訊負載能力范圍內(nèi)靈活的配置從機模塊的數(shù)量，并且能提高溫度采集的及時性和準確性，為科研實驗提供便利工具。

硬件設計

總線式主從機結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

主機我們采用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、可重復在系統(tǒng)編程、指令豐富并且執(zhí)行速度快。

主機主要完成以下功能：從機地址識別、與從機的通訊、實時溫度顯示、按鍵處理、溫度軟校準以及從機擴張選擇，主機功能框圖如圖2。實時溫度顯示采用19264單色點陣液晶，該液晶沒有背光時仍能正常查看，只是為了在夜間查看，我們增加了液晶背光功能。溫度軟校準功能是為了保證多路溫度測量的準確性，消除系統(tǒng)誤差。在實際測量過程中，很難保證用來測量的不同的溫度探頭的一致性，電路結(jié)構(gòu)、探頭線長度、以及每個溫度傳感元件本身的不一致性都最終影響溫度測量的準確性。為了方便校準，我們可利用軟件對單個溫度探頭或全部溫度探頭進行軟件校準。這樣盡量減小各個溫度探頭的不一致而帶來的測量差值。為保證主機的可靠工作，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)出復位信號使系統(tǒng)恢復正常。從機擴展功能主要是用來選擇從機模塊的數(shù)量，如果從機數(shù)量為1，則在該功能選項中選擇“1路采樣模塊”，依次類推，考慮到實際應用過程中對溫度探頭數(shù)量的要求，本系統(tǒng)中最大的從機模塊配置數(shù)量為8，也就是最多可以測量64路溫度信號。

主機的按鍵是行列線組成的2輸入4輸出結(jié)構(gòu)形式，采用定時掃描，利用MCU內(nèi)部的定時器產(chǎn)生10ms定時中斷，CPU響應中斷時對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵并執(zhí)行相應的鍵功能程序。

從機采用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，當采樣的基準電壓為5V時，系統(tǒng)的采樣精度可達到5毫伏每字，即基準電壓變化5毫伏，采樣的數(shù)字量變化1個字。

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

RS-485串行通訊

在工程實踐當中，多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲一般采用總線方式，傳送數(shù)據(jù)采用主從機結(jié)構(gòu)的方法。

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，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)時傳輸距離可達12m，而用100kb/s時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。本系統(tǒng)的波特率設置為2400b/s。

圖1就是用RS-485構(gòu)成的總線型網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用主從方式進行多機通信。主機采用8位微處理器ATMEG128L，從機采用ATMEG16L。每個從機通過地址編碼擁有自己固定的地址，由主機控制完成網(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）、PC5（從機）口作為收發(fā)控制。該控制口高電平時，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;當該控制口為低電平時，MAX485處于接受狀態(tài)，將RS-485總線上的差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平的信號由R端輸出到微處理器的RXD端。當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。應將總線上差分信號的正端A+和+5V電源間接一個10KW電阻;正端A+和負端B-間接一個10KW電阻;負端B-和地間接一個10KW電阻，形成一個電阻網(wǎng)絡。當總線上沒有信號傳輸時，正端A+的電平大約為3.2V，負端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號0，從而增加了總線抗干擾的能力。

本系統(tǒng)對RS-485串行通訊的應用電路中，在A和B端預留了上拉電阻、和AB之間的匹配電阻，但實際使用過程中，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10KΩ的上拉電阻。用示波器測量其通訊信號波形時，發(fā)現(xiàn)R2、R3兩個上拉電阻接上后，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通訊需要嚴格遵循通訊協(xié)議，否則通訊是不會建立起來的。尤其是在主從機采用不同的處理器時，軟件處理一定的仔細查看其說明文件，不能一視同仁。在本電路的實驗過程中，就發(fā)現(xiàn)一個波特率設置的問題。波特率的設置公式如下：

BAUD= Fosc/16（UBRR+1）

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

波特率的設置公式中用到了微處理器的系統(tǒng)時鐘頻率Fosc，我們的主從機雖然都使用了外部4M晶振，但主機內(nèi)部將4M頻率三分頻，而從機仍然使用4M主頻，軟件編寫過程中，將主從機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的波特率相差2倍，通訊當然是不能成功的。

為了保證通訊成功，開始時所有從機復位，即處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機的呼叫。當主機向網(wǎng)上發(fā)出某一從機的地址時，所有從機接收到該地址并與自己的地址相比較。如果相符，說明主機在呼叫自己，應發(fā)回應答信號，表示準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。主機收到從機的應答后，則開始一次通信。通信完畢，從機繼續(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。在任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機發(fā)出應答信號的情況下，才能應答。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

從機模塊完成的主要功能是8路溫度模擬信號的采集和向主機正確的發(fā)送這8個采樣溫度，本系統(tǒng)中采用溫度傳感器為AD590。AD590是一個電流型集成溫度傳感器，其輸出電流正比于絕對溫度，當溫度為 273開氏度時，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。將電流信號經(jīng)運算放大器后輸出0~5V（參考電壓為 5V）的電壓信號，經(jīng)過ATMEG16L的10位A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號存放在從機的緩存區(qū)。當主機發(fā)出與該從機相應的地址信號后，從機應應答并將采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線送給主機并顯示在液晶屏幕上。

從機通過自己的A/D口直接進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)更接近實際值，我們在軟件上增加了一些處理措施，如求多次采樣的平均值、中值濾波等。

為消除一些人為造成的誤差，我們在該主從機中使用了一個開關(guān)電源，這樣開關(guān)電源電壓的波動對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度都保持一致。溫度探頭線和主從機的通訊線都必須使用屏蔽雙絞電纜，并將屏蔽電纜進行良好接地。特別是在RS-485串行通訊中，主從機必須共地，否則嚴重時會有共模干擾，導致數(shù)據(jù)傳輸出錯。

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

結(jié)語

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

責任編輯：gt