摘要：介紹了一種基于雙串口高速微控制器DS87C520的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的分布式溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面可通過與數(shù)字化溫濕度傳感器通信來獲得溫濕度數(shù)據(jù)，另一方面可以與上位機進行周期性或隨機性的通信，從而實現(xiàn)對溫濕度的采集、存儲和打印等功能的操作。
關(guān)鍵詞：DS87C520；溫濕度；數(shù)據(jù)采集
近年來，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，以及樓宇智能化、自動化的不斷興起與普及，許多大型場所如購物中心、酒店、寫字樓等都需要較為舒適的溫濕度環(huán)境，因此，精確的溫濕度數(shù)據(jù)在溫濕度控制系統(tǒng)中顯得極為重要。本文結(jié)合科研課題研究開發(fā)了一個基于雙串行口微控制器ＤＳ８７Ｃ５２０的高精度、高速度、穩(wěn)定可靠的分布式溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時記錄和分析溫濕度數(shù)據(jù)。
�。薄貪穸炔杉到y(tǒng)的總體設(shè)計
本溫濕度采集系統(tǒng)分別通過ＲＳ－４８５、ＲＳ－２３２總線和相關(guān)的協(xié)議來實現(xiàn)與智能傳感器、上位ＰＣ機的通信。圖１為整個溫濕度采集系統(tǒng)示意圖。圖中，溫濕度采集控制器定時與智能傳感器通信以獲得實時溫度和濕度，同時通過ＤＳ８７Ｃ５２０進行數(shù)字化處理，以便將ＢＣＤ碼為００～７０的溫度采樣值和００～９９的濕度采樣值分別與－２０℃～５０℃的溫度和０％～９９％ＲＨ的濕度相對應(yīng)，之后將結(jié)果在七段數(shù)碼管上顯示出來。上位機與溫濕度采集控制器進行定時或隨時通信可以得到各個傳感器的最新采樣值，并對數(shù)據(jù)進行儲存和處理，以備查詢分析及報表打印。
�。病貪穸炔杉到y(tǒng)的硬件設(shè)計
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本系統(tǒng)中的雙層網(wǎng)絡(luò)體系要求溫濕度采集控制器具有兩個串行口，考慮到系統(tǒng)抗干擾能力等諸多因素，筆者選用Ｄａｌｌａｓ公司的全雙工雙串口高速微控制器ＤＳ８７Ｃ５２０作為主控制單元。圖１中的智能溫濕度傳感器內(nèi)部含有微處理器，可以實現(xiàn)非電量到電壓模擬量的線性轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)工作時，先通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換將溫濕度模擬信號采樣到微處理器，然后由微處理器對采樣所得的數(shù)字信號進行查表計算處理便可得到相應(yīng)的數(shù)字量之后再將數(shù)字量由Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，最后通過串口進行數(shù)據(jù)的傳輸。
�。玻� ＤＳ８７Ｃ５２０簡介
ＤＳ８７Ｃ５２０高速微控制器具有與Ｉｎｔｅｌ８０Ｃ５１兼容的指令集以及相同的引腳和基本資源，而且由于使用了全新設(shè)計的處理器內(nèi)核，同時去掉了冗余的時鐘周期和存儲周期，所以在相同頻率的晶振下，每條指令的執(zhí)行速度可以提高１．５～３倍。因此在使用相同代碼編寫的程序和同樣速度的晶振情況下，程序的執(zhí)行效率一般可提高２．５倍。 ＤＳ８７Ｃ５２０可在高達(dá)３３ＭＨｚ的晶振下工作。其主要特點如下：
● 帶有２５６字節(jié)的片內(nèi)ＲＡＭ、１６ｋＢ的片內(nèi)ＥＥＰＲＯＭ、１ｋＢ的內(nèi)部ＳＲＡＭ；
● 帶有兩個全雙工串口；
● 每個機器周期只要４個時鐘周期（８０Ｃ５１的一個機器周期需要１２個時鐘周期）。
�。玻� ＤＳ８７Ｃ５２０雙串口寄存器的設(shè)置
�。模樱福罚茫担玻皫в校矀�全雙工的串行口，使用起來非常方便。通過設(shè)置串口控制寄存器ＳＣＯＮ０９８Ｈ和ＳＣＯＮ１Ｃ０Ｈ可以選擇串口的工作方式；而通過設(shè)置ＰＣＯＮ８７Ｈ和ＷＤＣＯＮＤ８Ｈ則可選擇串口工作的波特率；需要注意的是：串口２只能使用定時器１作為波特率發(fā)生器，而串口１則既可使用定時器１，也可使用定時器２。本系統(tǒng)中由于兩個串口波特率一致，故均采用定時器１作為波特率發(fā)生器。
２．３ 雙串口硬件電路
２．３ 雙串口硬件電路
�。模樱福罚茫担玻芭c傳感器之間用ＲＳ－４８５總線實現(xiàn)通信，接口芯片選用ＭＡＸ４８７，該芯片的輸入阻抗為ＲＳ－４８５標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的４倍，故可以在總線上連接多達(dá)１２８個傳感器。溫濕度采集控制器通過ＤＩＰ開關(guān)來讀入接入的傳感器總個數(shù)，并通過按鍵選擇自動操作模式或者手動操作模式。如為自動操作模式，溫濕度采集控制器將按傳感器由小到大的地址編號順序與傳感器進行通信以獲得每個傳感器對應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)；而在手動模式下，只要將鍵盤所指定的傳感器編號輸入，系統(tǒng)便可將查詢到的信息包括傳感器號、溫度和濕度值等顯示在數(shù)碼管上。
考慮到通信成本和通信距離，采用ＲＳ－２３２總線與上位機通信，并用ＭＡＸ２３２進行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的雙串口通信硬件原理圖如圖２所示。
�。场貪穸炔杉到y(tǒng)的軟件設(shè)計
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�。常� 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議
溫濕度采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系采用三層結(jié)構(gòu)，從下往上依次為物理層、鏈路層和應(yīng)用層。
物理層采用ＥＩＡ ＲＳ－４８５總線標(biāo)準(zhǔn)，以雙絞線為傳輸介質(zhì)，最大通信距離為１２００米，最大從機個數(shù)為１２８臺（使用ＭＡＸ４８７），數(shù)據(jù)傳輸速率為２４００Ｂｉｔ／ｓ，數(shù)據(jù)傳輸格式為：１位起始位，８位數(shù)據(jù)位，１位停止位，無奇偶校驗位。
鏈路層參照ＨＤＬＣ（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）標(biāo)準(zhǔn)制定，采用適合于主－從網(wǎng)絡(luò)的正常操作－響應(yīng)模式。幀的定義格式為：幀開始符、目的地址、發(fā)送地址、控制、信息、校驗和幀結(jié)束符。
應(yīng)用層用標(biāo)志７ＥＨ（同步字符）所包含的內(nèi)容作為一幀；控制字為１個字節(jié)，最低位０或１分別表示信息幀或管理幀；管理幀無信息段，信息幀則根據(jù)實際情況決定其字節(jié)數(shù)。校驗段占一個字節(jié)，其值為控制字、地址和信息三部分內(nèi)容的邏輯和。
�。常� 網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計
溫濕度采集控制網(wǎng)絡(luò)的通信程序流程圖如圖３所示。
圖3
溫濕度采集控制器每隔２ｓ向所有智能傳感器發(fā)送一次數(shù)據(jù)請求，同時啟動通信監(jiān)控計時器。每收到一幀后即判斷校驗和(ＢＣＣ)是否出錯，若出錯則廢棄該幀，同一幀的糾錯重發(fā)最多為３次，超過３次仍不正常，則退出并報警；若通信監(jiān)控定時器定時時間已到但仍未收到應(yīng)答，則重發(fā)，最多重發(fā)３次，若仍無應(yīng)答，則退出并報警。通信正常時，即可將最新的各智能傳感器的溫濕度值存入溫濕度表，以備上位機查詢。溫濕度采集控制器通過串口中斷方式與上位機通信。當(dāng)與上位機進行周期性數(shù)據(jù)通信時，則將溫濕度表中存儲的各最新傳感器溫濕度值上傳給上位機；若上位機需要查詢某一傳感器的實時溫濕度值時，則立即向該傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，同時回送最新溫濕度值給上位機。
圖3
溫濕度采集控制器每隔２ｓ向所有智能傳感器發(fā)送一次數(shù)據(jù)請求，同時啟動通信監(jiān)控計時器。每收到一幀后即判斷校驗和(ＢＣＣ)是否出錯，若出錯則廢棄該幀，同一幀的糾錯重發(fā)最多為３次，超過３次仍不正常，則退出并報警；若通信監(jiān)控定時器定時時間已到但仍未收到應(yīng)答，則重發(fā)，最多重發(fā)３次，若仍無應(yīng)答，則退出并報警。通信正常時，即可將最新的各智能傳感器的溫濕度值存入溫濕度表，以備上位機查詢。溫濕度采集控制器通過串口中斷方式與上位機通信。當(dāng)與上位機進行周期性數(shù)據(jù)通信時，則將溫濕度表中存儲的各最新傳感器溫濕度值上傳給上位機；若上位機需要查詢某一傳感器的實時溫濕度值時，則立即向該傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，同時回送最新溫濕度值給上位機。
３．３ 溫濕度采集系統(tǒng)上位機軟件的實現(xiàn)
上位機管理軟件采用Ｄｅｌｐｈｉ ６．０編寫。該程序主要包括兩個部分：一是與溫濕度采集控制器的通信，另一個是數(shù)據(jù)的處理。
�。模澹欤穑瑁橹杏校撤N方法可以實現(xiàn)通信功能：一是使用Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)提供的ＡＰＩ函數(shù)；二是使用Ｄｅｌｐｈｉ自帶的串行通信控件ＡｃｔｉｖｅＸ的ＭＳＣｏｍｍ；三是使用第三方控件。但無論使用那種方法，最后一個階段都要調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)，并由ＡＰＩ函數(shù)執(zhí)行通信操作。因此，筆者采用第一種方法直接使用ＡＰＩ函數(shù)來完成上位機與控制器的串行通信。
由于在Ｄｅｌｐｈｉ的Ｗｉｎｄｏｗｓ．ｐａｓ單元文件中已經(jīng)將Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ聲明，因此在Ｄｅｌｐｈｉ里面使用ＡＰＩ時，只要在ｕｓｅｓ區(qū)段中加入Ｗｉｎｄｏｗｓ即可。ＡＰＩ中與串行通信相關(guān)的函數(shù)約有２０個，本系統(tǒng)中使用到的ＡＰＩ函數(shù)如表１所列。用ＡＰＩ函數(shù)編寫通信程序時，數(shù)據(jù)的讀入和送出均以文件形式進行。
表1 溫濕度采集系統(tǒng)使用的API函數(shù)
表1 溫濕度采集系統(tǒng)使用的API函數(shù)
