采用IEC－625總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

【摘　要】　介紹了一套新型的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用IEC－625總線技術(shù)，具有良好的通用性和擴展性，可同時控制多路遠(yuǎn)距離被測裝置，并具有較強的抗干擾能力。該系統(tǒng)充分利用資源，實現(xiàn)了一機多用的目的。
　　關(guān)鍵詞：IEC－625總線，89C51單片機，數(shù)據(jù)采集，化學(xué)實驗

1　引　言
　　隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，實驗測試手段發(fā)生了質(zhì)的飛躍。人們把微機引入實驗系統(tǒng)，對實驗數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)智能化控制，提高了實驗的可靠性和可重復(fù)性，同時實驗數(shù)據(jù)的處理能力也大大增強。目前，許多高校的實驗室購置了微機，并配備了相應(yīng)的實驗軟硬件系統(tǒng)，但通常這些實驗室所用的軟硬件系統(tǒng)專業(yè)性強而通用性差，一套系統(tǒng)只能做一兩個實驗，一臺微機必須配備多套系統(tǒng)才能做多個實驗。這不僅給實驗室的使用和管理帶來不便，而且浪費了硬件資源（因為購置多套系統(tǒng)），在大部分實驗室經(jīng)費有限的情況下，這種浪費顯得尤為突出。為此，我們根據(jù)需要為化學(xué)實驗設(shè)計了一套新型的計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的突出特點是具有很強的通用性和擴展性。
2　系統(tǒng)簡介
　　該系統(tǒng)的通用性表現(xiàn)在只用一套系統(tǒng)便可進(jìn)行大部分化學(xué)實驗，同時，由于該系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的并行總線接口IEC－625，實驗者可以像搭積木一樣隨意增加或減少測量所需的從機設(shè)備數(shù)量，因而具有良好的擴展性。系統(tǒng)中主機與測量從機之間的連接方式如圖1所示。
　　該系統(tǒng)可取代一些常規(guī)性的實驗儀，如自動平衡記錄儀、XY函數(shù)記錄儀等。另外，系統(tǒng)配備了PH復(fù)合電極接口和集成PN溫度傳感器接口一個，在接口上接上PH復(fù)合電極和集成PN溫度傳感器，系統(tǒng)又可取代PH酸度計和貝克曼溫度儀。
　　我們使用這套系統(tǒng)已在物理化學(xué)中支持以下17種實驗，取得了良好的實驗效果：（1）中和熱的測定；（2）燃燒熱的測定；（3）化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的測定；（4）Pb－Sn二元金屬相圖的繪制；（5）醋酸、磷酸的電位滴定；（6）H2O2催化分解反應(yīng)速度常數(shù)的測定；（7）乙酸乙脂皂化反應(yīng)速度的測定；（8）乙酸電離常數(shù)的測定；（9）強電解質(zhì)極限摩爾電導(dǎo)的測定；（10）二元溶液活度系數(shù)的測定（色譜法）；（11）原電池電動勢的測定；（12）丙酮碘化反應(yīng)速度常數(shù)及活化能的測定；（13）酚酞電離平衡常數(shù)的測定；（14）酶催化H2O2分解反應(yīng)動力學(xué)測定；（15）氫超電勢的測定；（16）恒電位線性掃描法測定極化曲線；（17）差熱分析。
3　硬件設(shè)計
　　該系統(tǒng)的硬件部分由信號采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號通訊、IEC－625總線接口這五大模塊組成，信號流程如圖2所示。
　?。?）信號采集模塊是由各類實驗測量儀器和傳感器組成，如電導(dǎo)率計、溫度傳感器、PH計等。它們的作用是將化學(xué)實驗信息轉(zhuǎn)化為可處理的模擬電壓信號。

　?。?）信號調(diào)理模塊由濾波電路和程控放大器組成，以去除干擾，將信號大小變換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作范圍內(nèi)。
　　程控放大器的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由兩個高輸入阻抗的同相放大器A1，A2組成第一級，實現(xiàn)高輸入阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩沟淖杩棺儞Q；第二級A3為一個差分放大器。R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，如果R3＝R4，則電路的閉環(huán)增益為：
　　Af＝－（1＋2R1／Rg）
利用多路開關(guān)切換Rg的大小，就可改變放大倍數(shù)。Vi1，Vi2為差模信號輸入端。

　　整個電路實現(xiàn)對電壓信號的程控放大和阻抗變換，并對共模信號具有很高的抑制，實際電路設(shè)計的程控放大量為三檔，最大放大量為10，此時系統(tǒng)可測電壓范圍為±0．2V，電壓分辨率為0．01mV，輸入阻抗為1012Ω；最小放大倍數(shù)為0．1，此時系統(tǒng)可測電壓范圍為±20V，電壓分辨率為1mV，輸入阻抗為106Ω；當(dāng)放大量為1時，系統(tǒng)可測電壓范圍為±2V，精度為0．1mV，輸入阻抗為1012Ω。
　?。?）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為計算機可處理的數(shù)字量。該部分以體積小巧、性能穩(wěn)定的單片機89C51為核心，A／D轉(zhuǎn)換采用ICL7135雙積分型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由穩(wěn)壓器MC1403提供基準(zhǔn)電壓，電路原理如圖4所示。

　　經(jīng)調(diào)理電路處理后的電壓信號分別由兩片ICL7135進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并以動態(tài)掃描的方式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，即B8、B4、B2、B1輸出數(shù)值的BCD碼；D5、D4、D3、D2、D1的輸出分別對應(yīng)轉(zhuǎn)換結(jié)果的萬位、千位、百位、十位、個位；POL輸出轉(zhuǎn)換電壓的極性。單片機通過一片8255并行接口芯片，分別讀入兩片ICL7135的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
　?。?）數(shù)字信號通訊模塊用來實現(xiàn)測量從機與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　單片機通過另一片8255并行接口及少量外圍電路來實現(xiàn)IEC－625接口功能，各總線設(shè)備之間按IEC－625總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。
　?。?）IEC－625總線接口
　　如圖1所示，系統(tǒng)的最高一級為控制整個系統(tǒng)工作的PC機，它同時又對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算。本系統(tǒng)中PC機通過從打印口接出的一塊IEC－625接口轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)各從機系統(tǒng)的通訊。
　　IEC－625標(biāo)準(zhǔn)總線具有功能強，用途多的優(yōu)點，在智能儀器中應(yīng)用廣泛。該總線采用標(biāo)準(zhǔn)的25針插頭將總線設(shè)備進(jìn)行聯(lián)結(jié)，其中8腳為數(shù)據(jù)信號線，8腳為控制信號線，其余為地線。PC機打印口的25腳中8根為雙向數(shù)據(jù)線，5根為輸入狀態(tài)線，4根為輸出控制線，其余為地線。將IEC－625總線的數(shù)據(jù)口和控制口與打印口的數(shù)據(jù)口相連，用打印口的一根控制線區(qū)分IEC－625的數(shù)據(jù)口和控制口，用另一根控制線控制信號的流向，便可實現(xiàn)PC機與IEC－625總線的信息交換。
4　軟件設(shè)計
　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩個方面。一方面是對數(shù)據(jù)采集和主從機之間通訊接口的程序設(shè)計。單片機中的程序用MCS－51匯編語言編寫，完成實驗數(shù)據(jù)采集及控制、從機對主機通訊中的發(fā)送和接收功能；PC機中的接口程序用C＋＋語言編寫，實現(xiàn)主機對從機通訊中的發(fā)送、接收和控制功能。主從機之間按IEC－625總線標(biāo)準(zhǔn)，通過DAV、NRFD、NDAC三線互鎖聯(lián)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，具有很高的可靠性。
　　另一方面是對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、作圖及打印等處理功能的程序設(shè)計，這部分程序用高級語言Visual C＋＋編寫，編制的程序為Windows 98界面，具有良好的人機對話方式。
5　結(jié)束語
　　本系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用了模塊化設(shè)計，模擬信號的檢測由單片機完成，得到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)再進(jìn)一步送入PC機處理，這樣可大大減少由于模擬信號引線過長帶來的干擾，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。同時，由于采用了并行接口技術(shù)，系統(tǒng)擴展容易，實驗數(shù)量能夠自由安排。軟件方面，系統(tǒng)可對每個實驗設(shè)定不同的實驗參數(shù)，并可對參數(shù)進(jìn)行保存，能適應(yīng)不同實驗的需要，具有較好的靈活性。而且，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)編輯、計算、作圖等處理功能，方便實用。
　　本方案已完全實現(xiàn)，系統(tǒng)運行良好。IEC－625總線結(jié)構(gòu)設(shè)計不但適用于實驗測量系統(tǒng)，對于其他測控工程均有推廣價值。

1　黃圣國等．智能儀器．北京：航空工業(yè)出版社，1993
2　孫涵芳，徐愛卿．MCS－51／96系列單片機原理及應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998
3　Jan Axelson著，那怡超等譯．并行端口大全．北京：中國電力出版社，1998