基于PIC單片機的24路輸入信號監(jiān)測模塊

【摘 要】本文介紹了基于8位PIC單片機開發(fā)、具備24路開關(guān)量輸入的信號監(jiān)測模塊的基本設(shè)計思路和開發(fā)過程。其中包括模塊的硬件設(shè)計方案、程序流程，以及外置通訊接口和協(xié)議等內(nèi)容。對信號監(jiān)測模塊的基本功能和使用方法進行了詳細的敘述。此外，文章還結(jié)合了模塊在產(chǎn)品檢測領(lǐng)域的實際應用給出了具體的案例分析。

【關(guān)鍵詞】信號監(jiān)測模塊；開關(guān)量輸入；PIC單片機；燈具檢測

0.引言

各類信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集類模塊廣泛應用于工業(yè)、安全及產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域，與工業(yè)計算機、可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等控制類產(chǎn)品集成，形成具有特定功能、對不同類型輸入信號進行采樣分析的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集類模塊產(chǎn)品的種類眾多，根據(jù)其采樣信號的類型可分為開關(guān)量和模擬量采集模塊；根據(jù)采樣通道數(shù)可分為單路和多路采集模塊；根據(jù)信號輸入輸出類型可分為輸入、輸出和輸入/輸出模塊。本文所述的信號監(jiān)測模塊為基于PIC16F1512系列單片機開發(fā)的輸入信號監(jiān)測模塊。該模塊具有24個開關(guān)量信號輸入通道，能夠?qū)⒏魍ǖ赖男盘枲顟B(tài)通過其通訊接口以數(shù)字信號輸出。并且根據(jù)模塊的實際應用需要，還對其加入了信號輸入持續(xù)時間累加計算的功能，能夠應用于應急燈具應急時間、蓄電池放電時間等連續(xù)信號的計時測量。由于模塊采用了標準的傳輸通訊協(xié)議，因此其具有較強的兼容性和可移植性。

1.硬件設(shè)計

1.1主控芯片的選擇

PIC單片機是由Microchip公司開發(fā)的系列單片機產(chǎn)品，因為其具有功能完善、功耗低、抗干擾能力強、編程指令高效等特點，使其廣泛應用于各類工業(yè)領(lǐng)域，能夠適用于較為惡劣的使用環(huán)境。信號監(jiān)測模塊采用的主控芯片為PIC16F1512系列8位單片機。該系列單片機為新一代的高性能RISC單片機，具備優(yōu)化的C編譯器架構(gòu)，數(shù)據(jù)指令僅為49條，因此單片機程序簡潔、開發(fā)過程更加高效。此外，單片機的28個引腳中有25個為I/O口，正是由于其豐富的片上資源，使得該信號監(jiān)測模塊能夠具備24個信號采樣通道，能夠同時完成對24路開關(guān)量輸入信號進行采樣和處理。

1.2電路設(shè)計

信號監(jiān)測模塊的內(nèi)部電路由上下兩塊電路板組成，分別為上層板和下層板。其中下層板為主控板，主要由單片機及其外圍電路、信號輸入接口、通訊接口和電源處理單元等部分組成，主要用于對輸入信號進行采樣和處理，根據(jù)特定指令完成對數(shù)據(jù)的處理運算，然后通過通訊接口將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送給上位機或其他控制終端。模塊的信號輸入接口由分別置于電路板上下邊沿的兩組6*2的RJ11插座構(gòu)成，輸入通道為24路。RJ11插座為6P4C型，除了能夠接收DC4.2～5.2V的開關(guān)量輸入信號外，還能夠為外設(shè)器件提供DC5V的供電。模塊的通訊接口采用RS-485串行總線接口，在電路板上由1組2*1的RJ45插座構(gòu)成，通過普通網(wǎng)線互連即可實現(xiàn)對多個模塊的組網(wǎng)。模塊的電源部分采用AC220V轉(zhuǎn)DC5V1A的開關(guān)電源，配合電路內(nèi)部的電源管理芯片，保證了對單片機的穩(wěn)定供電，提高了電路的抗干擾能力。

模塊的上層電路板為顯示板，主要器件為表面貼裝的LED、用于驅(qū)動LED的邏輯芯片和功能按鍵。模塊通過LED能夠?qū)崟r顯示24路開關(guān)量信號的輸入狀態(tài)，并且具備電源和通訊的狀態(tài)指示功能。上下兩塊電路板之間由4組插座連接，既用于連接和固定，同時也起到對上層板供電和通訊的功能。電路板除信號輸入接口和通訊接口部分外，全部采用SMT貼片工藝，保證元件焊接質(zhì)量的同時也加強了電路板的抗干擾能力。

2.軟件開發(fā)

MPLABX IDE是Microchip公司針對PIC系列單片機開發(fā)的最新的集成開發(fā)環(huán)境，綜合了編輯器、項目管理器和設(shè)計平臺等功能。信號監(jiān)測模塊的單片機程序使用C語言編程，程序指令簡潔，開發(fā)過程高效、實用。信號監(jiān)測模塊主要具備信號采集和顯示、數(shù)據(jù)處理計算以及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，其中信號采集和狀態(tài)顯示為模塊的基本功能，而當模塊接收到特殊指令后，則會根據(jù)其采樣信號的狀態(tài)完成數(shù)據(jù)處理計算和傳輸?shù)墓δ?。當正常上電后，模塊首先確定其通訊地址編碼，然后將實時掃描24路信號輸入端口的狀態(tài)。如有信號輸入，模塊將其對應的LED點亮，指示其輸入狀態(tài)，并且從通訊端口向上位機發(fā)送各通道的信號輸入狀態(tài)信息。當用戶操作模塊的功能按鍵或模塊收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)處理指令后，模塊將進入數(shù)據(jù)處理功能狀態(tài)。此時，模塊除繼續(xù)采樣并顯示各通道狀態(tài)外，還會累加計算輸入信號的持續(xù)時間，并通過通訊端口將信號輸入狀態(tài)、輸入的持續(xù)時間等數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送給上位機。當任一通道輸入信號終止后，模塊將停止對應的計時；當全部輸入信號終止后，模塊將完成此次信號處理任務，回到普通的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，同時向上位機發(fā)送任務完成的回饋，等待接收新的數(shù)據(jù)處理指令。

3.應用案例

應急燈具放電時間測試系統(tǒng)為信號監(jiān)測模塊的典型應用之一。每只信號監(jiān)測模塊具有獨立的通訊地址編碼，模塊與控制主機之間采用標準的MODBUS通訊協(xié)議，系統(tǒng)最大容量能夠保證100只監(jiān)測模塊同時在線，即能夠同時對2400臺應急燈具的放電時間進行測量。其中，應急燈具的工作狀態(tài)通過光學傳感器轉(zhuǎn)換為DC5V的開關(guān)量信號傳至模塊的輸入端。當燈具點亮時輸入信號為真，燈具熄滅時輸入信號終止。燈具進入應急狀態(tài)后，用戶通過操作模塊的按鍵或控制上位機向其發(fā)送數(shù)據(jù)處理指令，模塊開始對燈具的放電時間累加計時，并實時向上位機上傳燈具的狀態(tài)和放電時間等數(shù)據(jù)。當模塊所監(jiān)控的全部燈具熄滅、輸入信號終止后，模塊向控制主機發(fā)送信息，完成燈具放電時間的檢測工作。

4.結(jié)束語

本文介紹的開關(guān)量信號監(jiān)測模塊以常用的PIC單片機作為主控芯片，性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，具有采樣通道豐富、可獨立編址、功能完善等特點。除了具備常規(guī)輸入模塊的信號采樣、傳輸?shù)裙δ芡?，特有的信號處理和累加計時模式使其能滿足特定應用場合的需要。配合相應的前端傳感器，信號監(jiān)測模塊能夠進行燈具應急時間檢測、蓄電池放電時間測量等需要對輸入信號進行連續(xù)測量的檢測應用。

【參考文獻】

[1]彭樹生等編著.PIC單片機原理及應用.機械工業(yè)出版社.