基于RS—485总线的液冷测控装置设计

莫浩越 韩晋栋

【摘 要】结合485总线和液冷的优点，设计出基于RS-485总线的液冷测控装置。该装置结构简单，维护容易，散热效果好，工作噪音小。为适应“减少线束数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，RS-485总线应用而生，该总线采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力，其收发器灵敏度高，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外能得到恢复，因此应用广泛。

【关键词】液冷 RS-485总线 温度监控

1 液冷介绍

散热，是电子系统稳定运行的关键。随着电子日趋集成化，风冷因噪音大，散热效果较差等局限已不能满足需求，液冷散热因效果好、散热强度易调节、散热功率可以做到很大，且可将散热系统与外界完全隔离，避免污染，维护简便而渐渐成为主流。但是液冷造价较高，安装复杂，对冷却液有温度控制、防泄漏、过滤等要求。

2 RS-485总线简介

目前电子控制系统大量被采用，它们间通信所用的数据类型及可靠性要求不同，由多条总线构成、线束数量较多的情况普遍存在。但RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，发送电路须由使能信号加以控制。

另外RS-485用于多点互连时非常方便，可省掉许多信号线。应用该总线可以联网构成分布式系统，负载能力为32台、128台和256台设备，但通讯距离越长、波特率越高、转换器品质越差、转换器电能供电不足、防雷保护越强等因素会降低真实负载数量。

3 RS-485总线电路设计

3.1 温度检测原件

有热电偶和热电阻两种，考虑到工作环境，测量范围和价格等要素选择热电偶为测量原件。热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应（即将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来形成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，在回路中形成一个电流，即热电效应。）其优点是：

（1）热电偶直接与被测对象接触，测量精度高。

（2）测量范围广。从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

（3）构造简单，使用方便。热电偶由两种不同的金属丝组成，不受大小和开头限制，外有保护套管。

根据在0到150℃信号输出的线性度要求，选择J型热电偶为测量原件。

3.2 运放原件

运放是能对信号进行数学运算的放大电路。采用集成电路工艺制做的运算放大器，具有高增益、精巧、廉价和使用灵活等优点，广泛应用于数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面。

直流放大电路在测量仪器和自动控制系统中应用广泛。在一些自动控制系统中，首先要把被控制参数（如温度、压力、流量等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个幅度和功率微弱，不足以推动显示或执行机构的偏差信号，再将其放大到能推动执行机构或显示仪表的程度，从而达到自动控制和测量的目的。因被放大信号多为变化缓慢的直流信号，交流信号放大器由于有电容器等元件，不能有效地耦合这样的信号，所以不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化直流信号的最常用器件是运算放大器。

J型热电偶在0到150℃时输出电压约为0到10mV，需选择精度和线性度较高的运放来放大信号。

3.3 A/D器件

A/D器件芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件。在设计数据采集系统时，首先根据器件品质和应用场合要求依据以下指标选择：

（1）转换器位数；

（2）转换器的转换速率；

（3）采样/保持器；

（4）转换器量程；

（5）满刻度误差；

（6）线性度。

设计要求显示温度误差为±1℃，测量范围设计为0到100℃，芯片输入电源为5V，需要A/D可以达到50mV的精度。所以选择8位A/D芯片，另外需要转换的通道约8路，所以使用8位8路的A/D。最后采用ADC0809作为A/D芯片。

3.4 RS-485芯片

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用+5V电源工作，额定电流300μA，半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚简单，内部有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器输出和驱动器输入端，与单片机连接只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因芯片工作在半双工状态，所以只需单片机的一个管脚即可控制这两个引脚（A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A电平高于B，代表发送数据为1；当A电平低于B，代表发送数据为0）。在与单片机连接时只需一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时A和B端之间加约100Ω的匹配电阻。

RS485电路由芯片MAX485完成TTL到差分信号的转换，RS485方向控制线占用GPB2，如图1

图1 MAX485工作电路图

3.5 RS-485总线结构

485芯片的驱动能力有32台、128台和256台设备三个级别，合理布线可提高总线利用率。主流的布线方式有：线性布线和采用博昊威尔RS232/422/485集线器产品设计的布线。

线性布线结构简单、维护方便，如图2，主要应用于小型系统，存在以下不足：

（1）RS-485总线因差分信号传输特点的总线长一般在1200米以内，这种布线覆盖面积有限（仅几百平方米）。增加传输距离需采用中继器，加大了布线出问题的几率。

（2）系统装有大量控制器，线性布线中控制器共享同一RS-485总线。任一控制器RS-485端口短路，都会影响系统正常工作，且维修时工作量大、成本高。

（3）由于RS-485总线布线复杂，监控系统中主要工程费用和时间在布线环节。在大型系统中布线更长、设备挂接更多，布线难度加大。

（4）由于地理环境的原因，设备间距离导致地电位不平衡。这个问题，在老式布线结构中很难解决，甚至可能造成系统无法启动。虽然通过处理地电位可暂时解决部分问题，但问题可能频繁出现。

图2线性布线结构图

博昊威尔RS232/422/485集线器产品设计的布线，结构如图3，优点是：

（1）采用星型结构连接RS-485总线，在有效利用接口的情况下布线覆盖面积较大（可达几平方千米）。

（2）有四个/八个下位机端口，且各端口都有短路保护功能，并可在关断模式下工作。在大型监测系统中，通过分摊区域控制器到四个端口的方案可以减少单个总线的负荷，提高系统的可靠性。当某一控制器RS-485端口发生短路时，只会影响其所在总线系统，不会影响其他接口连接的RS-485正常工作。

（3）合理地利用串口集线器可以使RS-485系统布线变得方便快捷，减少布线及维护时间和费用。

（4）集线器端口间存在3000V的电势隔离。对于环境带来的布线问题，只需把问题显著的区域用单独端口连接集中处理，便可解决地电位带来的布线问题。

图3博昊威尔集线器产品布线结构图

综上，布线方式采用基于博昊威尔集线器产品设计的布线方式。

4 结语

通过分析当前工业电子电路板的散热情况，设计使用液冷散热作为散热方式，采用485总线作为数据传输方式，该传输方式结构相对简单，维护方便，能大大提高系统的可靠性。完全满足工业生产要求。

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基金项目：广西科学研究与技术开发计划（桂科能1298019-2）

作者简介：莫浩越，桂林市产品质量检验所、国家橡胶及橡胶制品质量监督检验中心（广西）副所长，主要从事自动控制研究、产品质量检验、实验室管理工作；韩晋栋，桂林电子科技大学在读硕士，研究方向：制造业信息化、机械电子工程。