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【摘 要】本文介绍了基于8位PIC单片机开发、具备24路开关量输入的信号监测模块的基本设计思路和开发过程。其中包括模块的硬件设计方案、程序流程，以及外置通讯接口和协议等内容。对信号监测模块的基本功能和使用方法进行了详细的叙述。此外，文章还结合了模块在产品检测领域的实际应用给出了具体的案例分析。
【关键词】信号监测模块；开关量输入；PIC单片机；灯具检测
0.引言
各类信号监测和数据采集类模块广泛应用于工业、安全及产品检测等领域，与工业计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等控制类产品集成，形成具有特定功能、对不同类型输入信号进行采样分析的数据处理系统。数据采集类模块产品的种类众多，根据其采样信号的类型可分为开关量和模拟量采集模块；根据采样通道数可分为单路和多路采集模块；根据信号输入输出类型可分为输入、输出和输入/输出模块。本文所述的信号监测模块为基于PIC16F1512系列单片机开发的输入信号监测模块。该模块具有24个开关量信号输入通道，能够将各通道的信号状态通过其通讯接口以数字信号输出。并且根据模块的实际应用需要，还对其加入了信号输入持续时间累加计算的功能，能够应用于应急灯具应急时间、蓄电池放电时间等连续信号的计时测量。由于模块采用了标准的传输通讯协议，因此其具有较强的兼容性和可移植性。
1.硬件设计
1.1主控芯片的选择
PIC单片机是由Microchip公司开发的系列单片机产品，因为其具有功能完善、功耗低、抗干扰能力强、编程指令高效等特点，使其广泛应用于各类工业领域，能够适用于较为恶劣的使用环境。信号监测模块采用的主控芯片为PIC16F1512系列8位单片机。该系列单片机为新一代的高性能RISC单片机，具备优化的C编译器架构，数据指令仅为49条，因此单片机程序简洁、开发过程更加高效。此外，单片机的28个引脚中有25个为I/O口，正是由于其丰富的片上资源，使得该信号监测模块能够具备24个信号采样通道，能够同时完成对24路开关量输入信号进行采样和处理。
1.2电路设计
信号监测模块的内部电路由上下两块电路板组成，分别为上层板和下层板。其中下层板为主控板，主要由单片机及其外围电路、信号输入接口、通讯接口和电源处理单元等部分组成，主要用于对输入信号进行采样和处理，根据特定指令完成对数据的处理运算，然后通过通讯接口将数据处理结果发送给上位机或其他控制终端。模块的信号输入接口由分别置于电路板上下边沿的两组6*2的RJ11插座构成，输入通道为24路。RJ11插座为6P4C型，除了能够接收DC4.2～5.2V的开关量输入信号外，还能够为外设器件提供DC5V的供电。模块的通讯接口采用RS-485串行总线接口，在电路板上由1组2*1的RJ45插座构成，通过普通网线互连即可实现对多个模块的组网。模块的电源部分采用AC220V转DC5V1A的开关电源，配合电路内部的电源管理芯片，保证了对单片机的稳定供电，提高了电路的抗干扰能力。
模块的上层电路板为显示板，主要器件为表面贴装的LED、用于驱动LED的逻辑芯片和功能按键。模块通过LED能够实时显示24路开关量信号的输入状态，并且具备电源和通讯的状态指示功能。上下两块电路板之间由4组插座连接，既用于连接和固定，同时也起到对上层板供电和通讯的功能。电路板除信号输入接口和通讯接口部分外，全部采用SMT贴片工艺，保证元件焊接质量的同时也加强了电路板的抗干扰能力。
2.软件开发
MPLABX IDE是Microchip公司针对PIC系列单片机开发的最新的集成开发环境，综合了编辑器、项目管理器和设计平台等功能。信号监测模块的单片机程序使用C语言编程，程序指令简洁，开发过程高效、实用。信号监测模块主要具备信号采集和显示、数据处理计算以及监测数据传输等功能，其中信号采集和状态显示为模块的基本功能，而当模块接收到特殊指令后，则会根据其采样信号的状态完成数据处理计算和传输的功能。当正常上电后，模块首先确定其通讯地址编码，然后将实时扫描24路信号输入端口的状态。如有信号输入，模块将其对应的LED点亮，指示其输入状态，并且从通讯端口向上位机发送各通道的信号输入状态信息。当用户操作模块的功能按键或模块收到上位机发送的数据处理指令后，模块将进入数据处理功能状态。此时，模块除继续采样并显示各通道状态外，还会累加计算输入信号的持续时间，并通过通讯端口将信号输入状态、输入的持续时间等数据持续发送给上位机。当任一通道输入信号终止后，模块将停止对应的计时；当全部输入信号终止后，模块将完成此次信号处理任务，回到普通的数据采集状态，同时向上位机发送任务完成的回馈，等待接收新的数据处理指令。
3.应用案例
应急灯具放电时间测试系统为信号监测模块的典型应用之一。每只信号监测模块具有独立的通讯地址编码，模块与控制主机之间采用标准的MODBUS通讯协议，系统最大容量能够保证100只监测模块同时在线，即能够同时对2400台应急灯具的放电时间进行测量。其中，应急灯具的工作状态通过光学传感器转换为DC5V的开关量信号传至模块的输入端。当灯具点亮时输入信号为真，灯具熄灭时输入信号终止。灯具进入应急状态后，用户通过操作模块的按键或控制上位机向其发送数据处理指令，模块开始对灯具的放电时间累加计时，并实时向上位机上传灯具的状态和放电时间等数据。当模块所监控的全部灯具熄灭、输入信号终止后，模块向控制主机发送信息，完成灯具放电时间的检测工作。
4.结束语
本文介绍的开关量信号监测模块以常用的PIC单片机作为主控芯片，性能稳定、抗干扰能力强，具有采样通道丰富、可独立编址、功能完善等特点。除了具备常规输入模块的信号采样、传输等功能外，特有的信号处理和累加计时模式使其能满足特定应用场合的需要。配合相应的前端传感器，信号监测模块能够进行灯具应急时间检测、蓄电池放电时间测量等需要对输入信号进行连续测量的检测应用。
【参考文献】
[1]彭树生等编著.PIC单片机原理及应用.机械工业出版社.
【关键词】信号监测模块；开关量输入；PIC单片机；灯具检测
0.引言
各类信号监测和数据采集类模块广泛应用于工业、安全及产品检测等领域，与工业计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等控制类产品集成，形成具有特定功能、对不同类型输入信号进行采样分析的数据处理系统。数据采集类模块产品的种类众多，根据其采样信号的类型可分为开关量和模拟量采集模块；根据采样通道数可分为单路和多路采集模块；根据信号输入输出类型可分为输入、输出和输入/输出模块。本文所述的信号监测模块为基于PIC16F1512系列单片机开发的输入信号监测模块。该模块具有24个开关量信号输入通道，能够将各通道的信号状态通过其通讯接口以数字信号输出。并且根据模块的实际应用需要，还对其加入了信号输入持续时间累加计算的功能，能够应用于应急灯具应急时间、蓄电池放电时间等连续信号的计时测量。由于模块采用了标准的传输通讯协议，因此其具有较强的兼容性和可移植性。
1.硬件设计
1.1主控芯片的选择
PIC单片机是由Microchip公司开发的系列单片机产品，因为其具有功能完善、功耗低、抗干扰能力强、编程指令高效等特点，使其广泛应用于各类工业领域，能够适用于较为恶劣的使用环境。信号监测模块采用的主控芯片为PIC16F1512系列8位单片机。该系列单片机为新一代的高性能RISC单片机，具备优化的C编译器架构，数据指令仅为49条，因此单片机程序简洁、开发过程更加高效。此外，单片机的28个引脚中有25个为I/O口，正是由于其丰富的片上资源，使得该信号监测模块能够具备24个信号采样通道，能够同时完成对24路开关量输入信号进行采样和处理。
1.2电路设计
信号监测模块的内部电路由上下两块电路板组成，分别为上层板和下层板。其中下层板为主控板，主要由单片机及其外围电路、信号输入接口、通讯接口和电源处理单元等部分组成，主要用于对输入信号进行采样和处理，根据特定指令完成对数据的处理运算，然后通过通讯接口将数据处理结果发送给上位机或其他控制终端。模块的信号输入接口由分别置于电路板上下边沿的两组6*2的RJ11插座构成，输入通道为24路。RJ11插座为6P4C型，除了能够接收DC4.2～5.2V的开关量输入信号外，还能够为外设器件提供DC5V的供电。模块的通讯接口采用RS-485串行总线接口，在电路板上由1组2*1的RJ45插座构成，通过普通网线互连即可实现对多个模块的组网。模块的电源部分采用AC220V转DC5V1A的开关电源，配合电路内部的电源管理芯片，保证了对单片机的稳定供电，提高了电路的抗干扰能力。
模块的上层电路板为显示板，主要器件为表面贴装的LED、用于驱动LED的逻辑芯片和功能按键。模块通过LED能够实时显示24路开关量信号的输入状态，并且具备电源和通讯的状态指示功能。上下两块电路板之间由4组插座连接，既用于连接和固定，同时也起到对上层板供电和通讯的功能。电路板除信号输入接口和通讯接口部分外，全部采用SMT贴片工艺，保证元件焊接质量的同时也加强了电路板的抗干扰能力。
2.软件开发
MPLABX IDE是Microchip公司针对PIC系列单片机开发的最新的集成开发环境，综合了编辑器、项目管理器和设计平台等功能。信号监测模块的单片机程序使用C语言编程，程序指令简洁，开发过程高效、实用。信号监测模块主要具备信号采集和显示、数据处理计算以及监测数据传输等功能，其中信号采集和状态显示为模块的基本功能，而当模块接收到特殊指令后，则会根据其采样信号的状态完成数据处理计算和传输的功能。当正常上电后，模块首先确定其通讯地址编码，然后将实时扫描24路信号输入端口的状态。如有信号输入，模块将其对应的LED点亮，指示其输入状态，并且从通讯端口向上位机发送各通道的信号输入状态信息。当用户操作模块的功能按键或模块收到上位机发送的数据处理指令后，模块将进入数据处理功能状态。此时，模块除继续采样并显示各通道状态外，还会累加计算输入信号的持续时间，并通过通讯端口将信号输入状态、输入的持续时间等数据持续发送给上位机。当任一通道输入信号终止后，模块将停止对应的计时；当全部输入信号终止后，模块将完成此次信号处理任务，回到普通的数据采集状态，同时向上位机发送任务完成的回馈，等待接收新的数据处理指令。
3.应用案例
应急灯具放电时间测试系统为信号监测模块的典型应用之一。每只信号监测模块具有独立的通讯地址编码，模块与控制主机之间采用标准的MODBUS通讯协议，系统最大容量能够保证100只监测模块同时在线，即能够同时对2400台应急灯具的放电时间进行测量。其中，应急灯具的工作状态通过光学传感器转换为DC5V的开关量信号传至模块的输入端。当灯具点亮时输入信号为真，灯具熄灭时输入信号终止。灯具进入应急状态后，用户通过操作模块的按键或控制上位机向其发送数据处理指令，模块开始对灯具的放电时间累加计时，并实时向上位机上传灯具的状态和放电时间等数据。当模块所监控的全部灯具熄灭、输入信号终止后，模块向控制主机发送信息，完成灯具放电时间的检测工作。
4.结束语
本文介绍的开关量信号监测模块以常用的PIC单片机作为主控芯片，性能稳定、抗干扰能力强，具有采样通道丰富、可独立编址、功能完善等特点。除了具备常规输入模块的信号采样、传输等功能外，特有的信号处理和累加计时模式使其能满足特定应用场合的需要。配合相应的前端传感器，信号监测模块能够进行灯具应急时间检测、蓄电池放电时间测量等需要对输入信号进行连续测量的检测应用。
【参考文献】
[1]彭树生等编著.PIC单片机原理及应用.机械工业出版社.