采用IEC－625总线的数据采集与处理系统

【摘　要】　介绍了一套新型的数据采集与处理系统。系统采用IEC－625总线技术，具有良好的通用性和扩展性，可同时控制多路远距离被测装置，并具有较强的抗干扰能力。该系统充分利用资源，实现了一机多用的目的。
　　关键词：IEC－625总线，89C51单片机，数据采集，化学实验

1　引　言
　　随着微电子技术和计算机技术的发展，实验测试手段发生了质的飞跃。人们把微机引入实验系统，对实验数据采集实现智能化控制，提高了实验的可靠性和可重复性，同时实验数据的处理能力也大大增强。目前，许多高校的实验室购置了微机，并配备了相应的实验软硬件系统，但通常这些实验室所用的软硬件系统专业性强而通用性差，一套系统只能做一两个实验，一台微机必须配备多套系统才能做多个实验。这不仅给实验室的使用和管理带来不便，而且浪费了硬件资源（因为购置多套系统），在大部分实验室经费有限的情况下，这种浪费显得尤为突出。为此，我们根据需要为化学实验设计了一套新型的计算机数据采集与处理系统，该系统的突出特点是具有很强的通用性和扩展性。
2　系统简介
　　该系统的通用性表现在只用一套系统便可进行大部分化学实验，同时，由于该系统采用了标准的并行总线接口IEC－625，实验者可以像搭积木一样随意增加或减少测量所需的从机设备数量，因而具有良好的扩展性。系统中主机与测量从机之间的连接方式如图1所示。
　　该系统可取代一些常规性的实验仪，如自动平衡记录仪、XY函数记录仪等。另外，系统配备了PH复合电极接口和集成PN温度传感器接口一个，在接口上接上PH复合电极和集成PN温度传感器，系统又可取代PH酸度计和贝克曼温度仪。
　　我们使用这套系统已在物理化学中支持以下17种实验，取得了良好的实验效果：（1）中和热的测定；（2）燃烧热的测定；（3）化学反应热效应的测定；（4）Pb－Sn二元金属相图的绘制；（5）醋酸、磷酸的电位滴定；（6）H2O2催化分解反应速度常数的测定；（7）乙酸乙脂皂化反应速度的测定；（8）乙酸电离常数的测定；（9）强电解质极限摩尔电导的测定；（10）二元溶液活度系数的测定（色谱法）；（11）原电池电动势的测定；（12）丙酮碘化反应速度常数及活化能的测定；（13）酚酞电离平衡常数的测定；（14）酶催化H2O2分解反应动力学测定；（15）氢超电势的测定；（16）恒电位线性扫描法测定极化曲线；（17）差热分析。
3　硬件设计
　　该系统的硬件部分由信号采集、信号调理、模数转换、数字信号通讯、IEC－625总线接口这五大模块组成，信号流程如图2所示。
　　（1）信号采集模块是由各类实验测量仪器和传感器组成，如电导率计、温度传感器、PH计等。它们的作用是将化学实验信息转化为可处理的模拟电压信号。

　　（2）信号调理模块由滤波电路和程控放大器组成，以去除干扰，将信号大小变换到模数转换器的工作范围内。
　　程控放大器的原理结构如图3所示。它由两个高输入阻抗的同相放大器A1，A2组成第一级，实现高输入阻抗变为低输出阻抗的阻抗变换；第二级A3为一个差分放大器。R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，如果R3＝R4，则电路的闭环增益为：
　　Af＝－（1＋2R1／Rg）
利用多路开关切换Rg的大小，就可改变放大倍数。Vi1，Vi2为差模信号输入端。

　　整个电路实现对电压信号的程控放大和阻抗变换，并对共模信号具有很高的抑制，实际电路设计的程控放大量为三档，最大放大量为10，此时系统可测电压范围为±0．2V，电压分辨率为0．01mV，输入阻抗为1012Ω；最小放大倍数为0．1，此时系统可测电压范围为±20V，电压分辨率为1mV，输入阻抗为106Ω；当放大量为1时，系统可测电压范围为±2V，精度为0．1mV，输入阻抗为1012Ω。
　　（3）模数转换部分将模拟电压值转换为计算机可处理的数字量。该部分以体积小巧、性能稳定的单片机89C51为核心，A／D转换采用ICL7135双积分型16位模数转换器，由稳压器MC1403提供基准电压，电路原理如图4所示。

　　经调理电路处理后的电压信号分别由两片ICL7135进行A／D转换，并以动态扫描的方式输出转换结果，即B8、B4、B2、B1输出数值的BCD码；D5、D4、D3、D2、D1的输出分别对应转换结果的万位、千位、百位、十位、个位；POL输出转换电压的极性。单片机通过一片8255并行接口芯片，分别读入两片ICL7135的转换结果。
　　（4）数字信号通讯模块用来实现测量从机与外部进行数据交换的功能，其原理结构如图5所示。

　　单片机通过另一片8255并行接口及少量外围电路来实现IEC－625接口功能，各总线设备之间按IEC－625总线标准进行通讯。
　　（5）IEC－625总线接口
　　如图1所示，系统的最高一级为控制整个系统工作的PC机，它同时又对各路数据进行处理和计算。本系统中PC机通过从打印口接出的一块IEC－625接口转换电路实现各从机系统的通讯。
　　IEC－625标准总线具有功能强，用途多的优点，在智能仪器中应用广泛。该总线采用标准的25针插头将总线设备进行联结，其中8脚为数据信号线，8脚为控制信号线，其余为地线。PC机打印口的25脚中8根为双向数据线，5根为输入状态线，4根为输出控制线，其余为地线。将IEC－625总线的数据口和控制口与打印口的数据口相连，用打印口的一根控制线区分IEC－625的数据口和控制口，用另一根控制线控制信号的流向，便可实现PC机与IEC－625总线的信息交换。
4　软件设计
　　本系统的软件设计包括两个方面。一方面是对数据采集和主从机之间通讯接口的程序设计。单片机中的程序用MCS－51汇编语言编写，完成实验数据采集及控制、从机对主机通讯中的发送和接收功能；PC机中的接口程序用C＋＋语言编写，实现主机对从机通讯中的发送、接收和控制功能。主从机之间按IEC－625总线标准，通过DAV、NRFD、NDAC三线互锁联络进行数据传送，具有很高的可靠性。
　　另一方面是对数据进行计算、作图及打印等处理功能的程序设计，这部分程序用高级语言Visual C＋＋编写，编制的程序为Windows 98界面，具有良好的人机对话方式。
5　结束语
　　本系统在硬件设计上采用了模块化设计，模拟信号的检测由单片机完成，得到的数字数据再进一步送入PC机处理，这样可大大减少由于模拟信号引线过长带来的干扰，提高了系统的精度和可靠性。同时，由于采用了并行接口技术，系统扩展容易，实验数量能够自由安排。软件方面，系统可对每个实验设定不同的实验参数，并可对参数进行保存，能适应不同实验的需要，具有较好的灵活性。而且，系统具备数据编辑、计算、作图等处理功能，方便实用。
　　本方案已完全实现，系统运行良好。IEC－625总线结构设计不但适用于实验测量系统，对于其他测控工程均有推广价值。

参考文献

1　黄圣国等．智能仪器．北京：航空工业出版社，1993
2　孙涵芳，徐爱卿．MCS－51／96系列单片机原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，1998
3　Jan Axelson著，那怡超等译．并行端口大全．北京：中国电力出版社，1998