西门子6ES7223-1BL22-0XA8代理直销

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在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而通用串行总线（Universal Aerial Bus，简称USB）的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现、高可靠性、多点的数据采集。

一、USB简介

USB是一些PC大厂商，如Microsoft、Inbbb等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1995年在Comdex上亮相以来至今已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsft的bbbbbbs98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。

1、USB系统的构成

USB系统主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外设(Peripherals Node)组成系统拓扑结构，如图1所示。


2、USB的主要优点

（1）速度快

USB有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为12Mbps，另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，USB还提供低速方式，速率为1.5Mb/s。

（2）设备安装和配置容易

安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。

（3）易于扩展

通过使用Hub扩展可拨接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m（5m低速）。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。

（4）能够采用总线供电

USB总线提供最大达5V电压、500mA电流。

（5）使用灵活

USB共有4种传输模式：控制传输(control)、同步传输(Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。

二、采用USB传输的数据采集设备

1、硬件组成

一个实用的USB数据采集系统包括A/D转换器、微控制器以及USB通信接口。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。



系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰的性能，尤其对A/D采集更是如此。
在微控制器和USB接口的选择上有两种方式，一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片。现在的专用芯片中较流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。笔者曾经采用Atmel公司的89c51单片机和USBN9602芯片构成系统，取得了良好的效果。这种方案的设计和调试比较麻烦，成本相对而言也比较高。
另一种方案是采用具备USB通信功能的单片机。随着USB应用的日益广泛，Inbbb、-Tomson、Cypress、Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路A/D，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备USB接口的单片机是构成USB数据采集系统较好的方案。不过，由于具备了USB接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。

USB的一大优点是可以提供电源。在数据采集设备中耗电量通常不大，因此可以设计成采用总线供电的设备。

2、软件构成


bbbbbbs98 提供了多种USB设备的驱动程序，但好象还没有一种是专门针对数据采集系统的，所以必须针对特定的设备来编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事情，通常采用bbbbbbs DDK来实现。目前有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具，象Compuware的driver works,Blue Waters的Driver Wizard等，它们能够很容易地在几分钟之内生成高质量的USB的驱动程序。

设备中单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予充分的重视。

以上两个程序是开发者所关心的，用户不大关心。用户关心的是如何地通过鼠标来操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据，因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面，强大的数据分析和处理能力以及为用户提供进行再开发的接口。

三、实现USB远距离采集

传输距离是限制USB在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或Hub，USB传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显然是太短了。

现在工业现场有大量采用RS－485传输数据的采集设备。RS－485有其固有的优点，即它的传输距离可以达到1200米以上，并且可以挂接多个设备。其不足之处在于传输速度慢，采用总线方式，设备之间相互影响，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安装麻烦等。RS－485的这些缺点恰好能被USB所弥补，而USB传输距离的限制恰好又是RS－485的优势所在。如果能将两者结合起来，优势互补，就能够产生一种快速、可靠、的远距离数据采集系统。

这种系统的基本思想是：在采集现场，将传感器采集到的模拟量数字化以后，利用RS－485协议将数据上传。在PC端有一个双向RS－485～USB的转换接口，利用这个转接口接收485的数据并通过USB接口传输至PC机进行分析处理。而主机向设备发送数据的过程正好相反：主机向USB口发送数据，数据通过485～USB转换口转换为485协议向远端输送，如图3所示。





在图3的方案中，关键设备是485～USB转换器。这样的设备在国内外都已经面市。笔者也曾经用National Semiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485实现过这一功能，在实际应用中取得了良好的效果。

需要特别说明的是，在485～USB转换器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驱动能力等）完全一样，也就是说，一个485～USB转换器就能够完全取代一块485卡，成本要低许多，同时具有安装方便、不受插槽数限制、不用外接电源等优点，为工业和科研数据提供了一条方便、廉价、有效的途径。 四、综合式采集系统的实现

现在的数据采集系统通常有分布式和总线两种。采用USB接口易于实现分布式，而485接口则易于实现总线式，如果将这两者结合起来，则能够实现一种综合式的数据采集系统。实现方法是：仍然利用上面提到过的USB～485转换器实现两种协议的转换。由于USB的速率大大高于485，因此在每条485总线上仍然可以挂接多个设备，形成了图4所示的结构，其中D代表一个设备。





这种传输系统适用于一些由多个空间上相对分散的工作点，而每个工作点又有多个数据需要进行采集和传输的场合，例如大型粮库，每个粮仓在空间上相对分散，而每个粮仓又需要采集温度、湿度、二氧化碳浓度等一系列数据。在这样的情况下，每一个粮仓可以分配一条485总线，将温度、湿度、二氧化碳浓度等量的采集设备都挂接到485总线上，然后每个粮仓再通过485总线传输到监控中心，并转换为USB协议传输到PC机，多个粮仓的传输数据在转换为USB协议后可以通过Hub连接到一台PC机上。由于粮仓的各种数据监测实时性要求不是很高，因此采用这种方法可以用一台PC机完成对一个大型粮库的所有监测工作。

在互联网遍布各个脚落的地球村时代，网络改变了人们传统的生活方式。现在计算机技术突飞猛进，宽带已走进千家万户，网络接入可以采取多种方式，如单位局域网、AD-SL、ISDN、MODEN、电力载波宽带等等。最常用的连接媒介还是五种双绞线，现已被网络工程普遍采用。我们组建网络时常要用到RJ45接头，用压线钳作各种规格的接口，如图1所示。接口的好坏很重要，它影响网络连接成功与否。网线作好后，常用网线测试仪进行测试。这里介绍一种简单的网线测试器的工作原理，大家可以DIY。

该网线测试器分两单元：一部分是发送单元，采用一块9V叠层电池进行供电，并有电源开关和绿色的电源指示灯。另一部分是接收单元，有5个发光二极管指示网线连接状态。

1．发送单元

电路原理如图2所示，采用3片集成电路和少量外围元件组成。CD4069是六反相器，组成多谐振荡器和LED驱动电路，CD4017是十进制计数器脉冲分配器。分配给网线合适的测试脉冲，74LS367是六总线驱动器，协助产生网线测试脉冲。

2．工作原理

在图2中，CD4069内部的两个反相器N1、N2和R1、C1、R2构成正反馈网络，组成多谐振荡器，产生矩形脉冲。脉冲信号加到十进制计数器／脉冲分配器CD4017的⒁脚(CLK端)，CD4017的⒂脚(RST端)加电时复位，⒀脚(CKINF1端)接地，对输入的脉冲记数。从Q1、Q3、Q5、Q7、Q9及CO输出脉冲信号，QI输出的脉冲加到D2正极，使D2导通。Q1的脉冲信号同时加到CD4069(U1A)的①脚，使它的输出端②脚变成低电平，电流经D2、发送单元接口RJ45的①脚、被测网线、接收单元接口RJ45的①脚、D11、接收单元RJ45的②脚回到发送单元。如果D1 1点亮，表明①脚和②脚的网线是通的。Q3输出的脉冲加到D4正极，同时加到六总线驱动器74L．$367的⒂脚(E2端)和D4端，信号经74L-S367从Q4输出高电平，经4069的U1D倒相使发送单元的RJ45的⑥脚变成低电平，电流经发送单元③脚、被测网线，输出到接收单元，经过D13，接收单元⑥脚，对网线的③和⑥脚进行测试。同样道理，从Q5脚输出的脉冲加到D1正极和CD4069(U1B)的③脚，CD4069(U1B)的④脚输出低电平加到RJ45的④脚，完成对④脚和⑤脚网线的测试。Q7输出的脉>中加到D3正极和CD4069(U1C)的⑤脚，完成对⑦脚和⑧脚网线的测试。

如果网线连接错误，流过的回路发生变化，发光二极管点亮状态发生变化，因此可确定连接模式正确与否。如果测试的是BNC接口，Q9输出的脉冲加到D5正极和74LS367的D5和E1端，Q5输出高电平，经4069(U1D)倒相加到BNC的另一端，对BNC接口进行测试。4017的CO端同样会输出脉冲经R4加到DIO，电源指示灯闪烁。

3.测试结果
D11表示RJ45的①和②脚的状态，D12表示RJ45的④和⑤脚的状态，D13表示RJ45的⑨和⑥脚的状态，D14表示RJ45．的⑦和⑧脚的状态，D15表示BNC
的状态。

网线正常时，LED为绿色；开路时，LED灭，根据LED点亮时序可以确定网线连接状况

1 引言

执行器是过程控制系统的重要组成部分，按照驱动能源形式可分为：电动、气动和液压三大类。其各有特点，适用于不同的场合。执行器通常由执行机构和调节阀组成，执行机构是指根据控制信号产生推力或位移的装置，执行机构驱动调节阀，改变能量或物料输送量，从而使生产过程按预定要求正常执行。

随着自动化、电子和计算机技术的发展，越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经具有现场总线通讯和智能控制的功能。EPA标准是我国具有完全自主知识产权的基于工业以太网专题">工业以太网的现场总线国际标准，本文结合传统执行机构的结构和技术特点，开发符合EPA标准的智能电动执行机构和电气阀门定位器，使其具有现场总线通讯功能，并通过EPA一致性和EPA可互操作性等测试平台的测试。同时，利用EPA标准的多信息传输能力，实现上述执行机构的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场设备智能化、数字化和网络化的目的。

2 执行机构的工作原理及硬件设计

当前主流的执行机构产品，虽然已经普遍采用了单片机技术，部分实现了智能化的目的，已经基本替代了传统的模拟执行机构产品，但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模拟通讯技术为主。随着现场总线技术的发展和普及，人们对现场总线技术的熟悉程度和信心不断提高，越来越多的控制系统趋向于采用基于现场总线的体系框架，数字协议将成为21世纪控制系统首选的通讯技术。因此，本文主要阐述基于EPA标准的现场总线通信技术在执行机构中的实现，所涉及的执行机构包括两大类：电动执行机构和电气阀门定位器。

2.1 电动执行机构总体结构

如图1所示，电动执行机构的控制电路主要由中央控制单元、EPA通信模块、位置检测单元、力矩检测单元、红外遥控及显示单元、故障检测单元、就地控制单元、电机控制模块、电源电路等部分组成。

EPA通信卡接收来自控制器的阀位控制参数，与电动执行机构当前的阀位相比较，通过特定的执行控制算法，驱动电机和减速器，从而使阀门运行到相应的位置。其中位置检测技术采用了先进的无触点位置反馈技术，定位精度和使用寿命都大大提高；力矩检测单元采用专业的压力传感器动态测量输出轴的力矩；故障检测和EPA通信技术的引入，使电动执行机构的远程故障诊断成为可能

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