1 引言
現(xiàn)場總線技術是當今自動化領域發(fā)展的熱點，德國bosch公司的can是為解決汽車內(nèi)部的復雜硬信號接線提出的,，而其應用范圍正逐漸向過程控制,、機器人、數(shù)控機床,、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展,。can總線以其獨特的設計、低成本,、高可靠性,、實時性,、抗干擾能力強等特點得到了廣泛的應用。本文選用can總線設計了分布式熱電阻智能節(jié)點,，利用can總線連接各個網(wǎng)絡節(jié)點,，可以直接與主控卡或上位機通信，組建成工業(yè)網(wǎng)絡分布式測控系統(tǒng),。
2 熱電阻智能節(jié)點硬件設計
2.1智能節(jié)點整體結(jié)構(gòu)
本熱電阻智能節(jié)點設有4路輸入通道,，支持3線制方式，支持熱電阻類型有cu50,、cu100和pt100,，采用freescale mc9s12d64單片機作為微控制器，其內(nèi)部有一個can通信模塊（mscan）,，符合can2.0a/b標準,，所以不需要擴展can通訊控制器。can接口收發(fā)器采用pca82c250作為can通信模塊和物理傳輸線路之間的接口,。節(jié)點通過24位a/d轉(zhuǎn)換器ads1216對組態(tài)通道進行采樣,，由于熱電阻的阻值與溫度成正比關系，需將已知電流流過該電阻以得到與溫度成正比的輸出電壓,。本文使用ads1216的兩個8位電流輸出idac1和idac2作為恒流源,，通過模擬開關max355選通相應的組態(tài)通道，然后ads1216對得到的電壓信號進行采樣并輸出至微控制器,，經(jīng)校正后進行標度變換轉(zhuǎn)化成相應的電阻值,，查熱電阻分度表即可得到所測溫度。本節(jié)點也可通過rs485接口并嚴格按照modbus協(xié)議進行通信,，rs-485收發(fā)器采用sn65lbc184,。
本熱電阻智能節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 熱電阻智能節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.2信號輸入端電路與采樣電路
信號輸入端電路與采樣電路原理圖如圖2和圖3所示,。
圖2 熱電阻信號輸入端電路
圖3 a/樣電路
max355差動4通道模擬開關接4路熱電阻信號轉(zhuǎn)換電路,，圖中只畫出第一路轉(zhuǎn)換電路，接線方式為三線制,，使能端en接高電平,，使max355一直有效。a0,、a1引腳接至mc9s12d64單片機的pp0和pp1端，用于選通某一路熱電阻信號進行轉(zhuǎn)換與測量,。當max355選通某一通道后,，該通道將與公共端接通，假設選通通道1,，200ua恒定電流由no1a和no1b輸出流經(jīng)熱電阻產(chǎn)生毫伏級電壓信號,，此信號在vin1和vin2處被ads1216采樣,。
ads1216組成4路全差分通道。單片機通過porta與ads1216通信,，用于控制ads1216選通某一路模擬量輸入通道并進行采樣,，每一個控制信號均通過光耦合器和兩個施密特觸發(fā)器進行數(shù)字隔離，這樣做可有效抑制各種噪聲干擾,，提高傳輸通道上的信噪比,。ads1216采樣每一路通道之前均進行偏置與增益自校準。當/drdy變?yōu)榈碗娖?，標志著?shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)已準備好,，單片機便從24位數(shù)據(jù)輸出寄存器（dor）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2.3 can和rs-485通信電路
can和rs-485通信電路原理圖如圖4所示,。
mc9s12d64單片機的can輸入與輸出引腳（rxcan0和txcan0）分別接至收發(fā)器pca82c250的txd和rxd引腳,。pt2用來控制數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，當pt2為低電平時,，接收數(shù)據(jù),；當pt2為高電平時，發(fā)送數(shù)據(jù),。輸入rs通過一電阻接地,，使pca82c250工作在斜率控制模式下。sn65lbc184為具有瞬變電壓抑制的rs485差分收發(fā)器,，因此本智能節(jié)點可以接入采用canbus或rs485的測控系統(tǒng),，并方便的與各種組態(tài)軟件進行通信。
圖4 can和rs-485通信電路
3 熱電阻智能節(jié)點軟件設計
3.1概述
單片機程序用mc9s12匯編語言編寫,。在主程序首先完成各寄存器和存儲單元的初始化,，再通過調(diào)用讀取地址子程序，得到i/o板卡的地址和can通信波特率,，再完成mscan模塊和ads1216初始化,。隨后調(diào)用e2prom中組態(tài)信息，對每一路組態(tài)通道進行信號轉(zhuǎn)換,，數(shù)字濾波及溫度查表計算等,，其主程序流程圖如圖5所示。
圖5 熱電阻智能節(jié)點主程序流程圖
由于現(xiàn)場的各種干擾很容易使信號失真,，從而使a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生比較大的誤差,。因此在對信號進行有效的硬件濾波后還需進行軟件濾波，本節(jié)點采用了數(shù)字中值濾波,、算術平均,、加權(quán)濾波等方式。
3.2 節(jié)點與上位機的can通信
智能節(jié)點與主控卡或上位機的通信主要基于can通信協(xié)議來完成,，它的優(yōu)點是能夠?qū)崟r處理數(shù)據(jù),、在惡劣環(huán)境下正常工作,、成本低且擁有比較高的帶寬。由于上位機內(nèi)部無can網(wǎng)絡適配器,，因此需外接rs-232/can轉(zhuǎn)接卡,，實現(xiàn)上位機與智能節(jié)點的通信。通過節(jié)點上的跳線設置節(jié)點地址,，當上位機發(fā)出命令時,，節(jié)點進入can接收中斷，對數(shù)據(jù)解包放入接收緩沖區(qū)并調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù),。當上位機發(fā)出組態(tài)命令時,，單片機會將收到的組態(tài)通道信息和信號類型寫入e2prom保存，并回送一幀數(shù)據(jù)通知上位機組態(tài)信息已成功接收,。當接收到上傳rtd值命令時,，單片機會將內(nèi)存中的4路rtd溫度值以多幀形式發(fā)送給上位機。
3.3 rtd阻值變換算法
軟件設計中關鍵算法在于rtd電壓阻值的轉(zhuǎn)化,，刻度點間的線性化及標度變換,。以pt100熱電阻的溫度刻度表為例，
pt100tab：fcb 04h,00h,07h,39h,08h,0e8h,0ah,94h,0ch,3ch,
fcb 0dh,0e1h, 0fh,83h,11h,23h,12h,0c0h,14h,5bh,
fcb 15h,0f3h,17h,89h,19h,1eh,1ah,0b1h,1ch,41h,
……
fcb 91h,84h,92h,0afh,93h,0d8h,95h,01h,96h,28h,
fcb 97h,4eh,98h,72h,9ah,0cah
分度表由-210℃開始每間隔10℃作為一個刻度點,，每一個刻度點的電阻值擴大100倍后轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)即構(gòu)成上表,。考慮到表格的一致性,，cu100和cu50熱電阻的分度表也從-210℃開始計算,。
當?shù)玫叫Ｕ蟮腶d轉(zhuǎn)換數(shù)值后，需要將采樣到的電壓信號轉(zhuǎn)換為電阻值以便于查表,。阻值計算公式如下：
r即為實際熱電阻阻值,，在這里將其擴大100倍以便于查表。
3.4 分段線性化查表
得到的對應阻值后,，則從第0個刻度點開始比較,，如果該采樣值大于第0個刻度點，則再與下一個刻度點比較,，同時記錄小于該采樣值的刻度點的個數(shù)n,，如果采樣值小于某一溫度刻度點，則溫度位于該刻度點b與前一個刻度點a之間,，溫度線性化在a,、b兩刻度點之間進行，線性化得到的溫度加上a點對應的溫度（n×10）即為采樣溫度,。
以pt100熱電阻為例,，某一通道得到校正后的采樣值為$9343，則前8個刻度點均小于$9343,，第9個刻度點值大于$9343,，記錄小于該采樣值的刻度點的個數(shù)n＝101，此時a點（第101個刻度點$92af）對應溫度為10×101＝1010℃,，b點（第9個刻度點$93d8）溫度為1020℃,，線性化在a、b兩點間進行,，具體公式為：
[（＄934-＄92af）/（＄93d8-＄92af）]×10=5℃
所以$9343對應的溫度為：
a點（第101個刻度點）對應溫度1010℃+線性化溫度5℃-210℃=805℃
其中,，各表均以-210℃作為起始，故計算溫度時應減去210℃,。
4 結(jié)束語
本智能測控節(jié)點主要完成對現(xiàn)場熱電阻信號進行采集和處理,。在實驗室條件下，利用電阻計代替現(xiàn)場的熱電阻信號,，經(jīng)過反復測試,，溫度測量值均正確，并且誤差在±1%以內(nèi),。另外在監(jiān)控程序的控制下,，節(jié)點能夠有效配合上位機完成系統(tǒng)的組態(tài)、信號校正和上傳等功能,，具有可靠,、實時、靈活等特點,。
作者簡介
閆志紅（1986-）女 在讀碩士,，現(xiàn)就讀于山東大學控制科學與工程學院，研究方向為自動化裝置的集成化與智能化,。
參考文獻
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