智能电度表设计(一)信息工程毕业论文(4)
2013-06-01 01:23
导读：2)X25045看门狗电路设计 X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从
2)X25045看门狗电路设计
X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。
看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。如表2.6所示。
表2.6 X25045状态寄存器
D7
D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
X
X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP
WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。
看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。X25045的看门狗电路使用十分方便。X25045内部还集成了512BEEPROM和电压运行监视系统，只需这样一块芯片，外加晶振和复位电路就可以组成单片机的应用系统，非常适合于便携式仪器和嵌入式系统的设计。
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3) 软件看门狗技术
我们知道看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。
软件看门狗技术的原理和这差不多，只不过是用软件的方法实现，我们还是以51系列来讲，我们知道在51单片机中有两个定时器，我们就可以用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。我们可以对T0设定一定的定时时间，当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，在这里我们要设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明T0中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。 对于T1我们用来监控主程序的运行，我们给T1设定一定的定时时间，在主程序中对其进行复位，如果不能在一定的时间里对其进行复位，T1的定时中断就会使单片机复位。在这里T1的定时时间要设的大于主程序的运行时间，给主程序留有一定的的裕量。而T1的中断正常与否我们再由T0定时中断子程序来监视。这样就够成了一个循环，T0监视T1，T1监视
主程序，主程序又来监视T0，从而保证系统的稳定运行。
2.2.4 通讯总线的选择RS-485总线
1) RS-485通讯标准
RS-485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输，最大传输距离可以达到1.2 km，最大可连接32个驱动器和收发器，接收器最小灵敏度可达士200mV。由此可见，RS-485通讯协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。
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RS-485通讯标准允许在电路中可以有多个发送器。它允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。RS-485在一对平衡传输的两端都配置终端匹配电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的应用。
在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。 RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：
（1）接收器的输入电阻RIN≥12kΩ
（2）驱动器能输出±7V的共模电压
（3）输入端的电容≤50pF
（4）输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）
（5）接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信号“0”（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信号“1”）
因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485 成为工业应用中数据传输的首选标准。
2) 异步串行通信接口标准与RS—485标准总线
集控器与分机间数据通信必然要使用异步串行通信接口，标准的异步串行通信接口主要有(l)RS—232C、RS—232E；(2)RS—449(RS—422、RS—423、RS—485)；(3)20毫安电流环 (4) USB通用接口。
其中RS—449和20毫安电流环可用于中长距离通信。为保证可靠数据通信，在选用通信接口标准时，须注意两点；一是通信速度和通信距离，二是抗干扰能力。通常的串行通信接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大传输速率和最大传输距离指标，这两个指标之间具有相关性，适当地降低传输速率可提高传输距离，反之亦然。串行通信接口在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，但在某些环境中，干扰往往十分恶劣，因此在选择通信介质、接口标准时要注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。
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例如，在中远程传输时，使用RS—422能有效抑制共模信号干扰；使用加毫安电流环技术，可大大降低对噪声的敏感程度。提高有线基带传输距离的有效技术有:
(l)降低波特率。
信号的衰减与信号频率有很大关系，降低波特率可减小衰减，使通信距离增大，但却同时降低了系统控制的反应速度。
(2)加粗通信线直径。
选用线径粗的传输线可以有效地减小传输衰减，但势必增加成本。
(3)增大发送端驱动电压和电流。
选用输出电压和电流较大的驱动器芯片，可明显增大通信距离。
(4)提高接收端灵敏度。
(5)采用中继方式。
对于第一种异步串行通信接口，RS—232C使用广泛，但缺陷明显。采用RS—232C标准时，其所用的驱动器和接收器芯片采用的是单端电路，易引入附加电平：一是来自于干扰，二是由于两端地电平不同而导致接收器产生错误的数据输出。
RS—232C规定最大负载电容为2500PF，这个电容限制了传输距离和传输速率，且TTL/RS—232C转换电路属非平衡电压型线电路，不具有抗共模干扰特性，如果TTL电平信号直接进行有线传输，由于受信号反射波噪声、信号阶跃失真、信号幅度衰减等多种不利因素的影响，其有效传输距离非常有限，通常最大不过十几米。故在一般情况下，RS—232C只用于短距通信(15米内)。若要远距通信，需加MODEM。可以看出，要实现中长距离数据传输，可采用RS—449和20毫安电流环。20毫安电流环是将电压信号通过光耦隔离转换成电流信号，广泛应用于点对点的通讯中，但是用电流环实现总线式点对多点的通信却比较困难，这是因为电流环是靠电流传送信号的，输入阻抗低，线路的损耗也较大，这样，很难保证最远端的节点正确接收到信息。当然，在一定的条件下用电流环实现点对多点
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的通信也是可以的，但距离只能限制在2.5公里以内，更重要的是若用电流环来实现总线网，网络容量非常有限，例如在一个有32个分机节点的总线网内，集控器向所有分机发送信号时，其信号电流大小至少为32*0.02=0.64安，产生这样大的电流对系统来说要求过高。
鉴于RS—232C的缺陷，制定了RS—449标准。RS—449标准与RS—232C兼容，但增加了许多内容，可支持较高的数据传送速率、较远的数据传送距离，提供平衡电路改进接口的电气特性等等。RS—423/422标准是RS—449的子集，RS—422A是“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准，采用双绞线传送信号，通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差变换成逻辑电平，完成终端的信息接收。
而RS—485是RS—422A的变型，同样使用专用的接收、发送芯片，这种类型的芯片一般是差分平衡式的，即采用差分式接收和发送数据，提高了抗共模干扰的能力，因此传输距离可达1200米左右，非常适合于本系统。RS—485是一种多发送器的标准，它扩展了RS—422A的性能，允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备。负载设备可以是接收器或收发器。RS—485每个通道要用两条信号线，如果其中一条是逻辑“1”状态，另一条就是逻辑“0”状态。RS—485电路由发送器、平衡连结电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成。驱动器输出为±2~12V，接收器可检测到的输入信号电平可低到200mV。
平衡驱动器的两个输出端分别为+Vl和—Vl，故差分接收器的输入信号电压V2=+VI—(—VI)=2VI，两者间不共地，这样既可削弱干扰的影响，又可获得更长的传输距离及允许更大的信号衰减。可用于RS—485总线网差分平衡收发的芯片有MC3486/MC3487、MAX48X/49X系列、MAX148OA/1480B等，本系统采用差分平衡收发芯片MAX489完成集控器与分机间数据通信。MAX48X/49X是MAXIM公司生产的适用于RS—422/RS—485标准的差分平衡收发芯片系列，其中MAX488~491可用于全双工通信，其余仅能用于半双工通信。使用MAX489组成的全双工总线通信网，网络上最大可挂32个收发站。
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在差分平衡系统中，一般采用双绞线做为信号传输线。由于双绞线在长度、方向上完全对称，因此它们受到的外界干扰程度完全相同，干扰信号以共模形式出现。在接收器的输入端共模干扰受到抑制，所以可实现信号的可靠传送。
另外，信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，从而影响信号的远距离传送，因此必须采用电阻匹配的方法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般为110~ 130Ω。通常在传输线末端接120Ω的电阻，进行阻抗匹配。
3) 影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素
(1) 在通信电缆中的信号反射
在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图1所示。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。
从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关。特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。
引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。
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在信号分析，衡量反射信号强度的参数是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰减因子）。
它的计算公式如式（2-1）
RAF=20lg(Vref/Vinc) （2-1）
式中：Vref—反射信号的电压大小；Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。具体的测量方法如图3所示。例如，由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V，反射信号的峰-峰值为+0.297V，则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时，它的反射衰减因子为：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB （2-2）
要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。在通讯线路中，如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理，后面将做详细介绍。
（2） 在通讯电缆中的信号衰减
第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路。电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。
PROFIBUS用的LAN标准型二芯电感（西门子为DP总线选用的标准电缆），在不同波特率时的衰减系数如表2-7所示。
表2-7 电缆的衰减系数
通讯波特率 16MHz 4MHz 38.4kHz 9.6kHz （转载自http://zw.ＮＳＥaＣ.com科教作文网）
衰减体系数（1km) ≤42dB ≤22dB ≤4dB ≤2.5dB
（3） 在通讯电缆中的纯阻负载
影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载（也叫直流负载）的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三者构成。
在叙述EIA RS-485规范时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点，配置了150Ω终端电阻的情况下，至少能输出1.5V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12kΩ。按这样计算，RS-485驱动器的负载能力为： RL=32个输入电阻并联||2个终端电阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω
现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驱动器负载能力可以达到20Ω。在不考虑其它诸多因素的情况下，按照驱动能力和负载的关系计算，一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。
在通讯波特率比较高的时候，在线路上偏置电阻是很有必要的。它的作用是在线路进入空闲状态后，把总线上没有数据时（空闲方式）的电平拉离0电平。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。通过下面的例子，可以计算出偏置电阻的大小：终端电阻Rt1=Rr2=120Ω；假设反射信号最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，则负半周的电压Vref≤0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。
一般RS-485收发器（包括SN75176）的滞后电压值为50mV，即：（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV；于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias≥3.33mA+5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）)
通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720Ω在实际应用中，RS-485总线加偏置电阻有两种方法：
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（1） 把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在RS-485总线上的每一个收发器加了偏置电阻，给每一个收发器都加了一个偏置电压。 /
（2） 在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入，增加了总线的负载。
