采用IEC－625總線的數據采集與處理系統

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

1　引　言
　　隨著微電子技術和計算機技術的發展，實驗測試手段發生了質的飛躍。人們把微機引入實驗系統，對實驗數據采集實現智能化控制，提高了實驗的可靠性和可重復性，同時實驗數據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，并配備了相應的實驗軟硬件系統，但通常這些實驗室所用的軟硬件系統專業性強而通用性差，一套系統只能做一兩個實驗，一臺微機必須配備多套系統才能做多個實驗。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），在大部分實驗室經費有限的情況下，這種浪費顯得尤為突出。為此，我們根據需要為化學實驗設計了一套新型的計算機數據采集與處理系統，該系統的突出特點是具有很強的通用性和擴展性。
2　系統簡介
　　該系統的通用性表現在只用一套系統便可進行大部分化學實驗，同時，由于該系統采用了標準的并行總線接口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備數量，因而具有良好的擴展性。系統中主機與測量從機之間的連接方式如圖1所示。
　　該系統可取代一些常規性的實驗儀，如自動平衡記錄儀、XY函數記錄儀等。另外，系統配備了PH復合電極接口和集成PN溫度傳感器接口一個，在接口上接上PH復合電極和集成PN溫度傳感器，系統又可取代PH酸度計和貝克曼溫度儀。
　　我們使用這套系統已在物理化學中支持以下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）化學反應熱效應的測定；（4）Pb－Sn二元金屬相圖的繪制；（5）醋酸、磷酸的電位滴定；（6）H2O2催化分解反應速度常數的測定；（7）乙酸乙脂皂化反應速度的測定；（8）乙酸電離常數的測定；（9）強電解質極限摩爾電導的測定；（10）二元溶液活度系數的測定（色譜法）；（11）原電池電動勢的測定；（12）丙酮碘化反應速度常數及活化能的測定；（13）酚酞電離平衡常數的測定；（14）酶催化H2O2分解反應動力學測定；（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　硬件設計
　　該系統的硬件部分由信號采集、信號調理、模數轉換、數字信號通訊、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，如電導率計、溫度傳感器、PH計等。它們的作用是將化學實驗信息轉化為可處理的模擬電壓信號。

　?。?）信號調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轉換器的工作范圍內。
　　程控放大器的原理結構如圖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，實現高輸入阻抗變為低輸出阻抗的阻抗變換；第二級A3為一個差分放大器。R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，如果R3＝R4，則電路的閉環增益為：
　　Af＝－（1＋2R1／Rg）
利用多路開關切換Rg的大小，就可改變放大倍數。Vi1，Vi2為差模信號輸入端。

　　整個電路實現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，實際電路設計的程控放大量為三檔，最大放大量為10，此時系統可測電壓范圍為±0．2V，電壓分辨率為0．01mV，輸入阻抗為1012Ω；最小放大倍數為0．1，此時系統可測電壓范圍為±20V，電壓分辨率為1mV，輸入阻抗為106Ω；當放大量為1時，系統可測電壓范圍為±2V，精度為0．1mV，輸入阻抗為1012Ω。
　?。?）模數轉換部分將模擬電壓值轉換為計算機可處理的數字量。該部分以體積小巧、性能穩定的單片機89C51為核心，A／D轉換采用ICL7135雙積分型16位模數轉換器，由穩壓器MC1403提供基準電壓，電路原理如圖4所示。

　　經調理電路處理后的電壓信號分別由兩片ICL7135進行A／D轉換，并以動態掃描的方式輸出轉換結果，即B8、B4、B2、B1輸出數值的BCD碼；D5、D4、D3、D2、D1的輸出分別對應轉換結果的萬位、千位、百位、十位、個位；POL輸出轉換電壓的極性。單片機通過一片8255并行接口芯片，分別讀入兩片ICL7135的轉換結果。
　?。?）數字信號通訊模塊用來實現測量從機與外部進行數據交換的功能，其原理結構如圖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IEC－625接口功能，各總線設備之間按IEC－625總線標準進行通訊。
　?。?）IEC－625總線接口
　　如圖1所示，系統的最高一級為控制整個系統工作的PC機，它同時又對各路數據進行處理和計算。本系統中PC機通過從打印口接出的一塊IEC－625接口轉換電路實現各從機系統的通訊。
　　IEC－625標準總線具有功能強，用途多的優點，在智能儀器中應用廣泛。該總線采用標準的25針插頭將總線設備進行聯結，其中8腳為數據信號線，8腳為控制信號線，其余為地線。PC機打印口的25腳中8根為雙向數據線，5根為輸入狀態線，4根為輸出控制線，其余為地線。將IEC－625總線的數據口和控制口與打印口的數據口相連，用打印口的一根控制線區分IEC－625的數據口和控制口，用另一根控制線控制信號的流向，便可實現PC機與IEC－625總線的信息交換。
4　軟件設計
　　本系統的軟件設計包括兩個方面。一方面是對數據采集和主從機之間通訊接口的程序設計。單片機中的程序用MCS－51匯編語言編寫，完成實驗數據采集及控制、從機對主機通訊中的發送和接收功能；PC機中的接口程序用C＋＋語言編寫，實現主機對從機通訊中的發送、接收和控制功能。主從機之間按IEC－625總線標準，通過DAV、NRFD、NDAC三線互鎖聯絡進行數據傳送，具有很高的可靠性。
　　另一方面是對數據進行計算、作圖及打印等處理功能的程序設計，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　結束語
　　本系統在硬件設計上采用了模塊化設計，模擬信號的檢測由單片機完成，得到的數字數據再進一步送入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，提高了系統的精度和可靠性。同時，由于采用了并行接口技術，系統擴展容易，實驗數量能夠自由安排。軟件方面，系統可對每個實驗設定不同的實驗參數，并可對參數進行保存，能適應不同實驗的需要，具有較好的靈活性。而且，系統具備數據編輯、計算、作圖等處理功能，方便實用。
　　本方案已完全實現，系統運行良好。IEC－625總線結構設計不但適用于實驗測量系統，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：航空工業出版社，1993
2　孫涵芳，徐愛卿．MCS－51／96系列單片機原理及應用．北京：北京航空航天大學出版社，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