1 硬件設計

　　係統整體(ti) 框圖係統實質上是一個(ge) 集散控製係統，更準確地說是一個(ge) 遠程數據采集係統，係統概念設計圖如圖1 所示，係統整體(ti) 框架圖如圖2 所示。

　　1.1 係統模塊設計

　　1.1.1  信號獲取模塊

　　係統采集大壩壩內(nei) 各個(ge) 方位的形變，這種形變反映出各個(ge) 方位的壓力值。選用NZS - 25 係列差阻式應變計，它是一種大量程大應變計，適用於(yu) 大壩及其他混凝土建築物內(nei) 部、鋼結構等的應變量測量。它與(yu) 一般壓力傳(chuan) 感器的結構不同，是通過測量比值而得到壓力值，其基本結構如圖3 所示。

　　圖3 中， R1 、R2為(wei) 敏感電阻，其基準電阻值為(wei) 40 Ω ,在其沒有受壓時，2 個(ge) 電阻的阻值都不會(hui) 發生變化，但是當受到外界作用的壓力時， R1的電阻值會(hui) 隨著受到壓力的不同而發生變化阻值保持不變，這樣R1和R2上的壓降不同，通過2 次測量分別得到R1 、R2上的壓降， 再通過程序計算出它們(men) 的比值，就可以反映壓力的變化。

　　1.1.2 信號放大模塊

　　係統采用的壓力傳(chuan) 感器輸出的電壓信號為(wei) mV 級，電壓信號過小，不能直接進行A/ D 轉換，因此要對其進行放大，以達到轉換器的要求。選用專(zhuan) 用儀(yi) 表放大器AD620 芯片。此芯片內(nei) 部采用差動輸入，共模抑製比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。AD620 放大器向A/ D 轉換器提供的模擬輸入電壓為(wei) - 2～2 V ,滿足A/ D 轉換器的要求。

　　1.1.3 A/ D 轉換模塊

　　轉換模塊選用ICL7135 芯片，其典型配置如圖4 所示。

　　ICL7135的時鍾由下位單片機的ALE 端提供，因為(wei) 下位機在P0、P2 口沒有擴展外圍程序存儲(chu) 器和數據存儲(chu) 器，因此端提供的時鍾頻率為(wei) 係統時鍾頻率的1/ 12 ;此外，由於(yu) 前級放大部分采用AD620 ,它是雙電源供電，所以ICL7135 也是雙電源供電，且他們(men) 的電源要求相同。ICL7135 和下位單片機的連接采用串行連接，如圖5 所示。

　　1.1.4  電源模塊

　　由於(yu) 係統下位機位於(yu) 大壩現場，電源無法從(cong) 現場取得，必須由上位機提供，因此電源解決(jue) 方案如圖6 所示。

　　在主節點部分，通過總電源處理模塊，將交流220 V 轉換為(wei) 直流12 V ,上位機的電源由自身的5 V 穩壓模塊提供，通過總電源線將12 V 直流輸送到下位機，下位機及其外圍器件所需的電源都由下位機的電源模塊提供，個(ge) 別器件所需的特殊電壓，由專(zhuan) 用模塊獲得。

       1.1.5 通信模塊

　　總線采用雙絞線差分傳(chuan) 輸方式，可連接成半雙工和全雙工方式，最遠傳(chuan) 輸距離為(wei) 112 km. 係統數據通信采用半雙工通信方式，即整個(ge) 網絡中任一時刻隻能由一個(ge) 節點成為(wei) 主節點，處於(yu) 發送狀態，並向總線發送數據，其他的節點都必須處於(yu) 接收狀態，如果2 個(ge) 或2 個(ge) 以上節點同時向總線發送數據，將導致所有發送方發送數據失敗，因此通信網一般采取主從(cong) 式即主節點控製整個(ge) 網絡的通信時序，使總線上的各節點分時使用總線，解決(jue) 總線數據傳(chuan) 輸的衝(chong) 突。

　　總線驅動芯片選用RS - 485 接口芯片SN75LBC184 ,它采用單一電源，電壓為(wei) 3～515 V 時都能正常工作。與(yu) 普通的芯片相比，它不但能抗雷電的衝(chong) 擊，而且能承受高達的靜電放電衝(chong) 擊，片內(nei) 集成4 個(ge) 瞬時過壓保護管，可承受高達的瞬態脈衝(chong) 電壓，因此它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環境比較惡劣的現場，可直接與(yu) 傳(chuan) 輸線相接，而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個(ge) 獨特的設計，當輸入端開路時，其輸出為(wei) 高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響係統的正常工作。另外它的輸入阻抗為(wei) RS - 485 標準輸入阻抗的2 倍（ ≥24 kΩ） ,故可以在總線上連接64 個(ge) 收發器。芯片內(nei) 部設計了限斜率驅動，使輸出信號邊沿不會(hui) 過陡，使傳(chuan) 輸線上不會(hui) 產(chan) 生過多的高頻分量，從(cong) 而有效扼製電磁幹擾。總線驅動芯片和單片機的連接采用間接連接，如圖7 所示。

圖7 　總線驅動芯片和單片機間的間接連接圖

　　1.1.6 數據存儲(chu) 模塊

　　該模塊用來存儲(chu) 下位機傳(chuan) 過來的壓力數據。係統對數據存儲(chu) 器的基本要求是存儲(chu) 容量要大，掉電數據不容易丟(diu) 失，能保存較長時間，易於(yu) 擴展容量。基於(yu) 以上要求，選用了遵循總線串行擴展技術的24C256。單片機和24C256 之間的數據交換完全遵照IIC 總線的規定，即單片機作為(wei) 主機，24C256 作為(wei) 從(cong) 機，所有操作都是由SDA 和SCL 2 個(ge) 腳位的狀態（共有4 個(ge) 狀態：開始、停止、數據和應答） 來確定。24C256 和單片機的連接圖如圖8 所示。

圖8 　24C256 和單片機連接圖

　　1.1.7  時鍾模塊

　　采用實時時鍾芯片DS12C887 為(wei) 係統產(chan) 生時間基準，它和單片機的連接如圖9 所示。可當作單片機的外部RAM處理，通過P0 口對DS12C887 進行操作，通過其中斷引腳IRQ向單片機發出中斷，使單片機讀出時間。

圖9 　DS12C887 和單片機連接圖

2 軟件設計

　　係統軟件框圖如圖10 所示。一級目錄分為(wei) 上位機程序、通信程序和下位機程序；二級目錄分為(wei) 數據采集程序模塊、模擬多路開關(guan) 控製程序模塊、數據處理程序模塊、下位機通信程序模塊、上位機通信程序模塊、顯示程序模塊、存儲(chu) 程序模塊、時鍾程序模塊以及鍵盤控製模塊。每個(ge) 二級程序模塊又由更小的函數組成，這樣的設計方法容易修改和測試。

3 結語#p#分頁標題#e#

  　  軟件程序設計按照自頂向下的原則，按功能模塊化劃分采用C 語言編程實現各模塊功能，以子程序的形式進行封裝對外部提供規定的接口，再按照係統流程要求進行模塊組合最後實現整個(ge) 係統。