引言

隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展， 要求現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料能夠通過(guò)已經(jīng)存在的局域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)傳輸成為工業(yè)自動(dòng)化的普遍需要。串口服務(wù)器是一種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，它通過(guò)提供1、2、4、8 或16 口的RS-232 或RS-422/485 串口界面，以及1 個(gè)10/100M 的以太網(wǎng)接口，可以將RS-232 或RS-422/485 串行設(shè)備接入TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中而不需要更改控制程序，主計(jì)算機(jī)使用TCP/IP 協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)被接入的終端設(shè)備。上位機(jī)采用Socket 編程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

將經(jīng)過(guò)傳感器或變壓器轉(zhuǎn)變的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字化的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)串口傳送到串口服務(wù)器上， 串口服務(wù)器將單片機(jī)發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式，轉(zhuǎn)發(fā)到Internet 上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸，可以方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從上層PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)， 其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)上網(wǎng)系統(tǒng)采集終端主要是由傳感器，放大電路，光電隔離電路，采集電路，近端LED顯示電路，串口服務(wù)器等模塊組成。

其中，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端為一單片機(jī)控制系統(tǒng)，通信口為RS232/485 可選接口。

本系統(tǒng)中采用的串口服務(wù)器是嵌入式串口服務(wù)器DNE-18。DNE-18 用TCP server 方式來(lái)實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)口的轉(zhuǎn)換。給DNE-18 配置了唯一的IP 地址和相應(yīng)的端口號(hào)后，DNE-18 開(kāi)始偵聽(tīng)，若網(wǎng)絡(luò)中有主機(jī)發(fā)起聯(lián)接DNE-18 會(huì)接受聯(lián)接請(qǐng)求， 并將網(wǎng)絡(luò)口收到的從串口發(fā)出并將串口收到的數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)口以TCP/IP 協(xié)議包送出。DNE-18 不對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)包做任何解析或更改，提供完全透明的數(shù)據(jù)通道。

2 系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心部分是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的終端。其硬件框圖如圖2 所示。其工作原理是：對(duì)溫度傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行處理，即信號(hào)放大、濾波、量化等處理過(guò)程。在此過(guò)程中需要考慮干擾信號(hào)的抑制、轉(zhuǎn)換精度及線性等諸多因素。為了對(duì)模擬量輸入通道消除干擾， 加入隔離放大器ISO100。單片機(jī)AT89C52 控制ADC0809 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號(hào)分為兩路進(jìn)行處理。一路進(jìn)行LED 顯示：即當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)內(nèi)存中保存有A/D 轉(zhuǎn)換的通道數(shù)，以及A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。當(dāng)一路轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)讀到模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后， 從8255A 中讀通道路數(shù)，完成通道路數(shù)的顯示過(guò)程。同理， 當(dāng)顯示通道路數(shù)完畢后，然后顯示A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。另一路用MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)TTL 與RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送給串口服務(wù)器DNE-18。串口服務(wù)器就是把單片機(jī)發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式， 然后轉(zhuǎn)發(fā)到Internet 上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸。本文，重點(diǎn)介紹光電隔離模塊以及串口服務(wù)器的應(yīng)用模塊。

1） 光電隔離模塊。由于模擬量輸入信號(hào)一般都要經(jīng)過(guò)放大后才能進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，因此采用兼有放大和隔離功能的隔離放大器。隔離放大器的輸入與輸出端在電氣上完全隔離。所用的隔離方法有變壓器隔離和光電隔離兩種。在本系統(tǒng)中采用的是線性光電隔離放大器ISO100，ISO100 是美國(guó)B-B 公司生產(chǎn)的一種小型廉價(jià)光電隔離放大器。它利用發(fā)光二極管LED與兩個(gè)光電二極管進(jìn)行耦合，一路耦合到輸出端，一路反饋到輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋，以提高放大器的精度、線性度和溫度穩(wěn)定性。

ISO100 的工作電源為+18V， 隔離電壓為2500V，輸入電流為1A，輸出電壓Vout=RifnI ，改變Rf即能改變?cè)鲆?。?dāng)輸入為電壓量，應(yīng)串聯(lián)電阻Rin，使輸入電流在要求范圍內(nèi)。

ISO100 構(gòu)成的熱電偶放大器的連接圖如圖3 所示：

圖3 光電隔離抗干擾電路圖

2） 串口服務(wù)器的應(yīng)用模塊。串口服務(wù)器是把單片機(jī)發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式， 然后轉(zhuǎn)發(fā)到Internet 上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸。串口服務(wù)器的輸入口是單片機(jī)經(jīng)過(guò)MAX232 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，輸出口是RJ45 接口。當(dāng)串口服務(wù)器加電時(shí)候，PLED 就會(huì)發(fā)光； 當(dāng)輸出口RJ45 與交換機(jī)或是PC 正確連接時(shí)，LLED 就會(huì)發(fā)光， 當(dāng)串口服務(wù)器準(zhǔn)備就緒時(shí)，RLED 就會(huì)發(fā)光。當(dāng)對(duì)串口服務(wù)器進(jìn)行IP 地址和端口號(hào)，串行口工作方式正確設(shè)置后，串口服務(wù)器方能正常工作，才能進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 才能把數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet 上的某個(gè)主機(jī)上。

需要說(shuō)明的是， 如果串口服務(wù)器的RJ45 與計(jì)算機(jī)直接相連， 需要使用交叉雙絞線， 即網(wǎng)線一端用568A 標(biāo)準(zhǔn)， 另一端用568B 標(biāo)準(zhǔn)。如果串口服務(wù)器RJ45 連接的是以太網(wǎng)交換機(jī)或是集線器，則使用直通線，即網(wǎng)線兩端都用568A 標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件框圖如圖4 所示。它是由延時(shí)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)碼顯示、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)ASCII 碼、數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)發(fā)送等6 個(gè)模塊組成。

下面將各個(gè)模塊的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單概述：

1） 延時(shí)模塊。本模塊完成的功能為延時(shí)1 s。利用定時(shí)器0 溢出中斷完成。

2） 數(shù)據(jù)采集模塊。每隔一秒對(duì)ADC0809 中的一路數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將其保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

3） 數(shù)碼顯示模塊。當(dāng)ADC0809 中與一路數(shù)據(jù)被采集完畢后，共陰級(jí)八段數(shù)碼管顯示當(dāng)前ADC0809 中通道路數(shù)，以及當(dāng)前路數(shù)的數(shù)據(jù)值。

4）十六進(jìn)制轉(zhuǎn)ASCII 碼模塊。本子程序完成的功能是把十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII 碼。

5） 數(shù)據(jù)協(xié)議模塊。本程序完成的功能是將要發(fā)送的ASCII 碼數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)幀封裝，定義數(shù)據(jù)包的頭和尾，以及中間分隔符，起始字符為“！ ”，結(jié)束字符為“#”。中間分隔符號(hào)為“+”，為方便上位機(jī)接收和存儲(chǔ)單片機(jī)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。

6） 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。本程序完成的功能是將數(shù)據(jù)包發(fā)送到串口服務(wù)器上。

2.3 軟件流程圖

系統(tǒng)的工作原理是系統(tǒng)上電后的， 首先進(jìn)行初始化，包括設(shè)置波特率為9600bps，定時(shí)器工作方式，串行口工作方式， 開(kāi)定時(shí)中斷等。然后對(duì)八路通道進(jìn)行循環(huán)采集、顯示，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)， 然后由串行口發(fā)送數(shù)據(jù)。流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的方案，采用單片機(jī)和串口服務(wù)器，既可以完成數(shù)據(jù)采集， 又可以將數(shù)據(jù)封裝向Internet 發(fā)送，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，非常適用于遠(yuǎn)距離、偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)終端采集工作， 是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的一種可行性解決方案。