一种数据采集器的设计

一种数据采集器的设计

作者：刘敏 张强

来源：《硅谷》2011年第24期

摘 要： 主要介绍一种数据采集器的硬件设计和软件设计两方面，并制定通讯协议。 关键词： 数据采集；数据采集器；通讯协议

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220067－01 0 引言

数据采集是整个企业实现工业行业自动化的最前端，高速、实时数据采集在工业自动化领域有着非常重要的应用。总之，在自动化工业中，现场中所使用的数据采集器是保证产品质量及生产系统正常运行、提高生产效率和经济效益的关键性基础技术。以下所述即是本文所研究的一种数据采集器的设计方案之一。 1 确定总体方案

根据采集器完成的功能，将系统结构分为三部分，第一部分完成数据采集、参数设定与显示功能，第二部分完成数据存储功能，第三部分完成对上位机的传输功能。 2 功能实现

下面从软、硬件设计方面阐述系统功能的实现。 2.1 硬件设计

2.1.1 选择CPU和RAM

选用两个分别的处理控制器，可以将功能分解来完成大量的数据吞吐量和采集、传输两部分功能的协调，主处理控制器可以实现一大部分的数据处理存储功能和参数的设定显示等功能，从处理控制器则可以在需要的时侯将数据上传给上位机。

据以上所述，存储器可以选用高速双端口静态RAMIDT7007。该器件的数据线、地址线和控制信号线分别有两条，并互不干涉。该器件可以允许两个控制器件中的数据通过共同连接的存储器来进行通信，这两个控制器可以是CPU和磁盘控制器，也可以是两个CPU。该器件只能允许两个CPU可以同时在任何的存储单元中读取数据，但是绝不允许在同一地址单元进行同时写或一读一写的动作。其余的部件则选用功能较为完善的通用器件。

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2.1.2 选择接口芯片

本系统采用的是RS-485半双工通讯模式，RS-485的成本低廉、控制方便，广泛应用于工厂现场和工业控制等多种领域。RS-485是由电子工业协会EIA（Electronics industry

Association）于1983年制定。RS-485通信方式采用主-从工作方式，即从设备不会主动向上发送数据和请求，由主设备（一般是上位计算机）对从设备发出命令，在某个时刻，只有主设备和一个从设备进行通信。RS-485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。其传输时的电气协议规定：当A线的电压低于B线时，传送的是信号1，当A线的电压高于B线时，传送的是信号。A线和B线能承受的共模信号为-7V- +12V，这里讲的共模信号是指A线或B线对地的电压。一个标准发送器能够直接驱动几个接收器，且发送器可以被关闭使其输出端变为高阻，因此只需要2条连线即可以实现一个半双工的通信网络。

RS-485的接口芯片有半双工（两线制）和全双工（四线制）两种，半双工通信芯片有SN75LBCl84、SN75176、SN751276、MAX485、MAXl483、MAX3082、MAXl478等，全双工通信芯片有SN75180、SN75179、MAX l482、MAX 488～MAX 491等。标准负载接口芯片指的是输人阻抗为标准值12KΩ的接收器。当输入阻抗为24KΩ时，被称为1/2负载芯片，为48KΩ时，被称为1/4负载芯片，这样一台驱动器即可并行驱动32台标准接口芯片，个1/2负载芯片，128个1/4负载芯片，即32个节点、个节点或128个节点。数据采集器选用差分数据线收发器芯片SN75LBC184。SN75LBC184是美国TI公司生产的一种RS485接口芯片，电压在3.0～5.5V范围内均能正常工作，可以完成TTL与RS485之间转换。它是一款具有瞬变电压抑制功能的差分收发器，具有内置高能量瞬变噪声保护装置。SN75LBC184还能抗雷击，放静电放电，避免因交流电故障引起的非正常高压脉冲冲击。对于一些环境比较恶劣的场合，SN75LBCl84可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，即当输入端开路时，其输出为高电平，这样，即使在接收器输入端电缆有开路故障时，也不影响系统的正常工作。 2.2 软件设计

软件设计的重点在于怎样处理两个通讯协议。通讯协议既可以影响通讯能否通畅，又可以影响到网络通讯能否可靠。系统除了要有通讯功能之外，还得包括的功能有数据采集和数据控制两方面。本系统设计的通信协议是在充分考虑到系统本身的功能特点和要求的基础上，再参考国际标准中相关通信规约的基础上制定的，主要涉及到帧格式、通信模式、差错控制和通信过程控制等几个方面的内容。

在数据采集器和上位机之间，选用主-从结构的半双工通讯方式。通讯协议则选用由MODBUS协议改造后得到的3C_BUSⅡ协议。下面先简单介绍一下MODBUS协议。MODBUS协议是一家国外公司1979年开发的一种通信协议。该协议是在工业自动化领域被广泛使用的。这种协议是一种开放的网络通讯协议，它可以使得控制器之间、控制器经由网络和其它设备之间进行通信，现已成为一通用工业标准。通常MODBUS协议有两种通信模式：RTU模式和ASCⅡ模式。由于数据传送的效率高于ASCII模式。所以在大多数工业现场中一

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般采用RTU模式。控制器能直接或经由Modem组网。MODBUS通信采用主从方式，即通过一个主设备能初始化传输，从设备则依据主设备提供的数据做出相应反应。在一个网络中，可以有一个主设备，而从设备可以多达255台。

本文所采用的3C_BUSⅡ协议，对MODBUS的应用层重新进行定义，使之成为适于本文所设计的数据采集器的协议。这种协议采取的工作方式为：通信由主机发起、从机不主动应答，而是根据主机的发起，相应作答。 3 结论

数据采集器具有很好的兼容性和可扩展性，它在各个领域的应用已经非常广泛。从长远发展趋势来看，数据采集器已经不仅仅局限于在某个领域的使用，随着不断提高的数据采集技术和各类型数据采集产品的出现，含有多种接口的数据采集器已逐步走到台前，这对企业来说，无疑是一个好消息，将对社会的发展和进步都将起到巨大作用。

参考文献：

[1]沈兰荪，高速数据采集系统的原理与应用，北京：人民邮电出版社，1995． [2]吴勇军，智能数据采集系统设计与实现，电脑学习，2007.1.

[3]游雪峰、文玉梅，以太网分布式数据采集同步和实时传输研究仪器，仪表学报，2006.4.

作者简介：

刘敏（1979-），女，汉族，山东省济南清区人，学士学位，中级工程师，山东省莱芜钢铁集团有限公司计量检测中心，研究方向：电子技术。