1 硬件设计

系统整体框图系统实质上是一个集散控制系统，更准确地说是一个远程数据采集系统，系统概念设计图如图1 所示，系统整体框架图如图2 所示。





1.2 系统模块设计

1.2.1  信号获取模块

系统采集大坝坝内各个方位的形变，这种形变反映出各个方位的压力值。选用NZS - 25 系列差阻式应变计，它是一种大量程大应变计，适用于大坝及其他混凝土建筑物内部、钢结构等的应变量测量。它与一般压力传感器的结构不同，是通过测量比值而得到压力值，其基本结构如图3 所示。



图3 中， R1 、R2为敏感电阻，其基准电阻值为40 Ω ,在其没有受压时，2 个电阻的阻值都不会发生变化，但是当受到外界作用的压力时， R1的电阻值会随着受到压力的不同而发生变化阻值保持不变，这样R1和R2上的压降不同，通过2 次测量分别得到R1 、R2上的压降， 再通过程序计算出它们的比值，就可以反映压力的变化。

1.2.2 信号放大模块

系统采用的压力传感器输出的电压信号为mV 级，电压信号过小，不能直接进行A/ D 转换，因此要对其进行放大，以达到转换器的要求。选用专用仪表放大器AD620 芯片。此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。AD620 放大器向A/ D 转换器提供的模拟输入电压为- 2～2 V ,满足A/ D 转换器的要求。

1.2.3 A/ D 转换模块

转换模块选用ICL7135 芯片，其典型配置如图4 所示。

ICL7135的时钟由下位单片机的ALE 端提供，因为下位机在P0、P2 口没有扩展外围程序存储器和数据存储器，因此端提供的时钟频率为系统时钟频率的1/ 12 ;此外，由于前级放大部分采用AD620 ,它是双电源供电，所以ICL7135 也是双电源供电，且他们的电源要求相同。ICL7135 和下位单片机的连接采用串行连接，如图5 所示。



图4 　ICL7135 典型外围器件配置图



图5 　ICL7135 和单片机的串行连接图

1.2.4  电源模块

由于系统下位机位于大坝现场，电源无法从现场取得，必须由上位机提供，因此电源解决方案如图6 所示。



图6 　系统供电框图

在主节点部分，通过总电源处理模块，将交流220 V 转换为直流12 V ,上位机的电源由自身的5 V 稳压模块提供，通过总电源线将12 V 直流输送到下位机，下位机及其外围器件所需的电源都由下位机的电源模块提供，个别器件所需的特殊电压，由专用模块获得。

1.2.5 通信模块

总线采用双绞线差分传输方式，可连接成半双工和全双工方式，最远传输距离为112 km. 系统数据通信采用半双工通信方式，即整个网络中任一时刻只能由一个节点成为主节点，处于发送状态，并向总线发送数据，其他的节点都必须处于接收状态，如果2 个或2 个以上节点同时向总线发送数据，将导致所有发送方发送数据失败，因此通信网一般采取主从式即主节点控制整个网络的通信时序，使总线上的各节点分时使用总线，解决总线数据传输的冲突。

总线驱动芯片选用RS - 485 接口芯片SN75LBC184 ,它采用单一电源，电压为3～515 V 时都能正常工作。与普通的芯片相比，它不但能抗雷电的冲击，而且能承受高达的静电放电冲击，片内集成4 个瞬时过压保护管，可承受高达的瞬态脉冲电压，因此它能显着提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，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，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外它的输入阻抗为RS - 485 标准输入阻抗的2 倍（ ≥24 kΩ） ,故可以在总线上连接64 个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。总线驱动芯片和单片机的连接采用间接连接，如图7 所示。


 

图7 　总线驱动芯片和单片机间的间接连接图

1.2.6 数据存储模块

该模块用来存储下位机传过来的压力数据。系统对数据存储器的基本要求是存储容量要大，掉电数据不容易丢失，能保存较长时间，易于扩展容量。基于以上要求，选用了遵循总线串行扩展技术的24C256。单片机和24C256 之间的数据交换完全遵照IIC 总线的规定，即单片机作为主机，24C256 作为从机，所有操作都是由SDA 和SCL 2 个脚位的状态（共有4 个状态：开始、停止、数据和应答） 来确定。24C256 和单片机的连接图如图8 所示。



图8 　24C256 和单片机连接图

1.2.7  时钟模块

采用实时时钟芯片DS12C887 为系统产生时间基准，它和单片机的连接如图9 所示。可当作单片机的外部RAM处理，通过P0 口对DS12C887 进行操作，通过其中断引脚IRQ向单片机发出中断，使单片机读出时间。



图9 　DS12C887 和单片机连接图

2 软件设计

系统软件框图如图10 所示。一级目录分为上位机程序、通信程序和下位机程序；二级目录分为数据采集程序模块、模拟多路开关控制程序模块、数据处理程序模块、下位机通信程序模块、上位机通信程序模块、显示程序模块、存储程序模块、时钟程序模块以及键盘控制模块。每个二级程序模块又由更小的函数组成，这样的设计方法容易修改和测试。



3 结语

软件程序设计按照自顶向下的原则，按功能模块化划分采用C 语言编程实现各模块功能，以子程序的形式进行封装对外部提供规定的接口，再按照系统流程要求进行模块组合最后实现整个系统。