基于RS—485總線的液冷測控裝置設(shè)計

莫浩越 韓晉棟

【摘 要】結(jié)合485總線和液冷的優(yōu)點，設(shè)計出基于RS-485總線的液冷測控裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，散熱效果好，工作噪音小。為適應(yīng)“減少線束數(shù)量”、“通過多個LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，RS-485總線應(yīng)用而生，該總線采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力，其收發(fā)器靈敏度高，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外能得到恢復(fù)，因此應(yīng)用廣泛。

【關(guān)鍵詞】液冷 RS-485總線 溫度監(jiān)控

1 液冷介紹

散熱，是電子系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。隨著電子日趨集成化，風(fēng)冷因噪音大，散熱效果較差等局限已不能滿足需求，液冷散熱因效果好、散熱強(qiáng)度易調(diào)節(jié)、散熱功率可以做到很大，且可將散熱系統(tǒng)與外界完全隔離，避免污染，維護(hù)簡便而漸漸成為主流。但是液冷造價較高，安裝復(fù)雜，對冷卻液有溫度控制、防泄漏、過濾等要求。

2 RS-485總線簡介

目前電子控制系統(tǒng)大量被采用，它們間通信所用的數(shù)據(jù)類型及可靠性要求不同，由多條總線構(gòu)成、線束數(shù)量較多的情況普遍存在。但RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。

另外RS-485用于多點互連時非常方便，可省掉許多信號線。應(yīng)用該總線可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，負(fù)載能力為32臺、128臺和256臺設(shè)備，但通訊距離越長、波特率越高、轉(zhuǎn)換器品質(zhì)越差、轉(zhuǎn)換器電能供電不足、防雷保護(hù)越強(qiáng)等因素會降低真實負(fù)載數(shù)量。

3 RS-485總線電路設(shè)計

3.1 溫度檢測原件

有熱電偶和熱電阻兩種，考慮到工作環(huán)境，測量范圍和價格等要素選擇熱電偶為測量原件。熱電偶工作原理是基于賽貝克（seeback）效應(yīng)（即將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來形成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，在回路中形成一個電流，即熱電效應(yīng)。）其優(yōu)點是：

（1）熱電偶直接與被測對象接觸，測量精度高。

（2）測量范圍廣。從-50～+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

（3）構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶由兩種不同的金屬絲組成，不受大小和開頭限制，外有保護(hù)套管。

根據(jù)在0到150℃信號輸出的線性度要求，選擇J型熱電偶為測量原件。

3.2 運放原件

運放是能對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的放大電路。采用集成電路工藝制做的運算放大器，具有高增益、精巧、廉價和使用靈活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、直流信號放大、波形的產(chǎn)生和變換，以及信號處理等方面。

直流放大電路在測量儀器和自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在一些自動控制系統(tǒng)中，首先要把被控制參數(shù)（如溫度、壓力、流量等）用傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，再與給定量比較，得到一個幅度和功率微弱，不足以推動顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏差信號，再將其放大到能推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示儀表的程度，從而達(dá)到自動控制和測量的目的。因被放大信號多為變化緩慢的直流信號，交流信號放大器由于有電容器等元件，不能有效地耦合這樣的信號，所以不能實現(xiàn)對這樣信號的放大。能夠有效地放大緩慢變化直流信號的最常用器件是運算放大器。

J型熱電偶在0到150℃時輸出電壓約為0到10mV，需選擇精度和線性度較高的運放來放大信號。

3.3 A/D器件

A/D器件芯片是實現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，首先根據(jù)器件品質(zhì)和應(yīng)用場合要求依據(jù)以下指標(biāo)選擇：

（1）轉(zhuǎn)換器位數(shù)；

（2）轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率；

（3）采樣/保持器；

（4）轉(zhuǎn)換器量程；

（5）滿刻度誤差；

（6）線性度。

設(shè)計要求顯示溫度誤差為±1℃，測量范圍設(shè)計為0到100℃，芯片輸入電源為5V，需要A/D可以達(dá)到50mV的精度。所以選擇8位A/D芯片，另外需要轉(zhuǎn)換的通道約8路，所以使用8位8路的A/D。最后采用ADC0809作為A/D芯片。

3.4 RS-485芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用+5V電源工作，額定電流300μA，半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳簡單，內(nèi)部有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器輸出和驅(qū)動器輸入端，與單片機(jī)連接只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因芯片工作在半雙工狀態(tài)，所以只需單片機(jī)的一個管腳即可控制這兩個引腳（A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng)A電平高于B，代表發(fā)送數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A電平低于B，代表發(fā)送數(shù)據(jù)為0）。在與單片機(jī)連接時只需一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時A和B端之間加約100Ω的匹配電阻。

RS485電路由芯片MAX485完成TTL到差分信號的轉(zhuǎn)換，RS485方向控制線占用GPB2，如圖1

圖1 MAX485工作電路圖

3.5 RS-485總線結(jié)構(gòu)

485芯片的驅(qū)動能力有32臺、128臺和256臺設(shè)備三個級別，合理布線可提高總線利用率。主流的布線方式有：線性布線和采用博昊威爾RS232/422/485集線器產(chǎn)品設(shè)計的布線。

線性布線結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，如圖2，主要應(yīng)用于小型系統(tǒng)，存在以下不足：

（1）RS-485總線因差分信號傳輸特點的總線長一般在1200米以內(nèi)，這種布線覆蓋面積有限（僅幾百平方米）。增加傳輸距離需采用中繼器，加大了布線出問題的幾率。

（2）系統(tǒng)裝有大量控制器，線性布線中控制器共享同一RS-485總線。任一控制器RS-485端口短路，都會影響系統(tǒng)正常工作，且維修時工作量大、成本高。

（3）由于RS-485總線布線復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)中主要工程費用和時間在布線環(huán)節(jié)。在大型系統(tǒng)中布線更長、設(shè)備掛接更多，布線難度加大。

（4）由于地理環(huán)境的原因，設(shè)備間距離導(dǎo)致地電位不平衡。這個問題，在老式布線結(jié)構(gòu)中很難解決，甚至可能造成系統(tǒng)無法啟動。雖然通過處理地電位可暫時解決部分問題，但問題可能頻繁出現(xiàn)。

圖2線性布線結(jié)構(gòu)圖

博昊威爾RS232/422/485集線器產(chǎn)品設(shè)計的布線，結(jié)構(gòu)如圖3，優(yōu)點是：

（1）采用星型結(jié)構(gòu)連接RS-485總線，在有效利用接口的情況下布線覆蓋面積較大（可達(dá)幾平方千米）。

（2）有四個/八個下位機(jī)端口，且各端口都有短路保護(hù)功能，并可在關(guān)斷模式下工作。在大型監(jiān)測系統(tǒng)中，通過分?jǐn)倕^(qū)域控制器到四個端口的方案可以減少單個總線的負(fù)荷，提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)某一控制器RS-485端口發(fā)生短路時，只會影響其所在總線系統(tǒng)，不會影響其他接口連接的RS-485正常工作。

（3）合理地利用串口集線器可以使RS-485系統(tǒng)布線變得方便快捷，減少布線及維護(hù)時間和費用。

（4）集線器端口間存在3000V的電勢隔離。對于環(huán)境帶來的布線問題，只需把問題顯著的區(qū)域用單獨端口連接集中處理，便可解決地電位帶來的布線問題。

圖3博昊威爾集線器產(chǎn)品布線結(jié)構(gòu)圖

綜上，布線方式采用基于博昊威爾集線器產(chǎn)品設(shè)計的布線方式。

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前工業(yè)電子電路板的散熱情況，設(shè)計使用液冷散熱作為散熱方式，采用485總線作為數(shù)據(jù)傳輸方式，該傳輸方式結(jié)構(gòu)相對簡單，維護(hù)方便，能大大提高系統(tǒng)的可靠性。完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

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基金項目：廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃（桂科能1298019-2）

作者簡介：莫浩越，桂林市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所、國家橡膠及橡膠制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（廣西）副所長，主要從事自動控制研究、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、實驗室管理工作；韓晉棟，桂林電子科技大學(xué)在讀碩士，研究方向：制造業(yè)信息化、機(jī)械電子工程。