串行技術(shù)在工業(yè)檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、前言

剛生產(chǎn)出來的冰箱、冷柜的合格與否由許多指標(biāo)決定，而制冷性能是其中的一個重要指標(biāo)。最初的制冷性能是靠人工目測溫度計進(jìn)行檢驗的（僅僅檢測到某一瞬間的溫度參數(shù)，而不是整個生產(chǎn)過程），這不僅浪費(fèi)人工，還存在著很大的誤差。為此設(shè)計了一個小型的分散控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將分布在工業(yè)現(xiàn)場的控制站、檢測站和操作中心等連接起來，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對冰箱、冷柜的制冷實時檢測，不僅可得到高精度的溫度參數(shù)，還可繪制各種曲線，并就其曲線判斷冰箱、冷柜的合格與否，存在什么缺陷，同時進(jìn)行報表管理及統(tǒng)計。由此可見，系統(tǒng)利用計算機(jī)替代原有人工檢測，既提高了企業(yè)自動化程度，降低出錯率，又有助于企業(yè)管理。

二、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是針對冰箱檢測系統(tǒng)的容量特點(diǎn)而設(shè)計的。整個系統(tǒng)由溫度巡檢儀和上位機(jī)組成，檢測單元為溫度巡檢儀，分散到一條或半條線為一個分散單元（進(jìn)程級），然后各個分散單元由RS-422網(wǎng)絡(luò)組成分散系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

現(xiàn)場溫度經(jīng)傳感器變換成電流傳送給各自的巡檢儀，每臺巡檢儀對64路傳感器信號進(jìn)行循環(huán)采集、處理、顯示，當(dāng)上位機(jī)尋址到該巡檢儀時，該巡檢儀通過20mA電流環(huán)串行通信方式傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)通過串行口得到數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)長久保存、數(shù)據(jù)查詢、打印報表和曲線等功能。

三、溫度巡檢儀

溫度巡檢儀是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)。溫度巡檢儀可分成三大模塊：數(shù)據(jù)模塊、單片機(jī)擴(kuò)展和通信接口。組成框圖如圖2所示。

圖2　溫度巡檢儀硬件組成框圖

　　它是以單片機(jī)8031為核心器件，感溫元件AD590J得到的溫度信號，經(jīng)過模擬開關(guān)選擇、電流電壓變換、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號，該信號經(jīng)CPU處理后，進(jìn)行顯示和通信。
　　傳感器采用的是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度-電流傳感器AD590J，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且適合遠(yuǎn)距離測量和傳輸，抗干擾性強(qiáng)。其技術(shù)指標(biāo)為：測溫范圍為-55℃～+150℃，線性電流輸出為1μA/K，電壓穩(wěn)定度為1%時，所產(chǎn)生的誤差只有±0.01℃。
　　多路模擬開關(guān)選用CD4051。1片CD4051完成1路～8路模擬信號的輸入選擇與切換，64路模擬量需要8片CD4051完成。CD4051的開關(guān)漏電流為0.08nA，而信號源的線性電流為1μA/K，因此CD4051的開關(guān)漏電流對于信號源的影響可以忽略不計。
　　根據(jù)設(shè)計要求，傳感器的輸出信號電流I不足以A/D處理，需對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大。本系統(tǒng)采用低失調(diào)低漂移的運(yùn)算放大器OP07作為信號放大和轉(zhuǎn)換，OP07的輸入失調(diào)電壓溫漂dU/dT和輸入失調(diào)電流溫漂dA/dT都很小，分別為0.7mV/℃和12pA/℃，精度比較高，適用于直流及低速的微弱信號放大，轉(zhuǎn)換速率低（0.17V/μs），內(nèi)附相位補(bǔ)償線路。溫-壓信號轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。

圖3　信號調(diào)理電路

　　輸出輸入關(guān)系為：-I=U/R2+U1/R1。I隨著溫度的增加而上升，每增加1℃，I上升1μA。U=-R2^*（I+U1/R1），顯然輸出電壓和輸出電流成線性關(guān)系，故輸出電壓和溫度也成線性關(guān)系。根據(jù)測量范圍，選擇電阻的阻值和電壓U1。
　　根據(jù)誤差分配原則，A/D變換精度至少要高于要求的測量精度一個量級。綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換速度、抗干擾性、價格性能比等指標(biāo)，本系統(tǒng)選用了逐次逼近型AD574A A/D轉(zhuǎn)換接口。
　　8031譯碼輸出選擇模擬開關(guān)，對選定傳感器的溫度信號進(jìn)行采集、處理、存儲、現(xiàn)場顯示，及對上位機(jī)的訪問。

四、通信接口電路

　　由一臺IBM PC作為主機(jī)，多臺MCS-51單片機(jī)作為從機(jī)，通過RS-422總線互連成主從式總線型多微機(jī)通信系統(tǒng)，為小型分布式控制系統(tǒng)DCS。
　　圖4表示一臺IBMPC為主機(jī)，多臺MCS-51單片機(jī)組成的總線型多微機(jī)通信系統(tǒng)。IBM-PC通過機(jī)內(nèi)的異步通信適配器掛在總線上，異步通信適配器的核心是8250芯片，在功能上相當(dāng)于串行接口芯片。每臺MCS-51都是通過片內(nèi)的串行口經(jīng)過驅(qū)動器轉(zhuǎn)換后掛在總線上。IBM-PC的異步通信適配器提供的信號符合RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)，MC-51串行口提供的信號在功能上支持RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)，但在電平上不符合RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，必須經(jīng)過MC-1488、MC1489變換。但是由于RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)本身存在缺陷，所以在本系統(tǒng)中我們采用了RS-422總線標(biāo)準(zhǔn)，電平先經(jīng)過MC-3486、MC-3487變換，最后經(jīng)MC-1488、MC-1489轉(zhuǎn)換與主機(jī)通信。

圖4　總線型多微機(jī)通信系統(tǒng)

　　RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用*的標(biāo)準(zhǔn)總線，其本身是一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，描述了數(shù)據(jù)終端DTE和通信設(shè)備DCE之間信息交換的方式和功能。但是支持RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)的串行接口芯片在電氣特性上并不符合RS-232C的規(guī)定，該芯片的信號電平為TTL級，而RS-232C要求的電平范圍比TTL級高得多。因此必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。變換電路如圖5所示。

圖5　RS232C電氣圖

圖6　RS422電氣圖

　　RS-232C總線存在的問題有：傳送距離過近，不超過15m；單端輸入，抗干擾能力差；傳輸速率偏低，僅20KBps等。而RS-422總線標(biāo)準(zhǔn)又稱雙端接口電氣標(biāo)準(zhǔn)或平衡傳輸電氣標(biāo)準(zhǔn)，是一種平衡驅(qū)動、差分接收的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-422電氣連接如圖6所示。
　　比較圖5與圖6，RS-422不同于RS-232C的地方在于傳輸數(shù)據(jù)的是兩條平衡導(dǎo)線。所謂“平衡"是指輸出端為雙端平衡驅(qū)動器，輸入端為雙端差分放大器。這一改變有三大好處：
　　1　如果傳輸過程中混入干擾與噪聲，由于雙端輸入差分放大作用，使干擾噪聲互相抵消，從而增強(qiáng)總線的抗干擾能力。
　　2　這種接法由兩條信號線形成回路，與信號地?zé)o關(guān)，雙方的信號地也不必連在一起，這樣避免了“電平偏移"，同時解決了潛在接地的問題。
　　3　RS-422輸出端采用雙端平衡驅(qū)動，比單端不平衡驅(qū)動對電壓信號的放大倍數(shù)要大一倍。
　　RS-422所能達(dá)到的通信指標(biāo)為：傳送距離為12m時，速率達(dá)10Mb/s；傳送距離為120m時，速率達(dá)1Mb/s；傳送距離為1200m時，速率達(dá)100Kb/s。所以我們用RS-422總線互連成總線型多微機(jī)通信系統(tǒng)。
　　在MCS-51端使用RS-422電平轉(zhuǎn)換調(diào)整和20mA電流環(huán)串行接口。
　　20mA電流環(huán)是目前串行通信中應(yīng)用*泛的一種接口電路，它是低阻傳輸線對電噪聲不敏感，且易實現(xiàn)光電隔離。光電隔離器根據(jù)所需傳送速率選擇，在此選用TLP521-4光電隔離器。本系統(tǒng)是RS-422與光電隔離器相結(jié)合用于串行通信電路。如圖7所示。此電路有很好的抗干擾能力，可防止強(qiáng)信號直接過來，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

圖7　20mA電流環(huán)串行接口

五、結(jié)束語

　　總之，為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用了以下幾種技術(shù)：
　　1　傳感器與下位機(jī)采用電流傳輸，以提高信號的傳輸距離和抗干擾性，采用適合現(xiàn)場使用的溫度-電流傳感器AD590J。
　　2　下位機(jī)與上位機(jī)采用20mA電流環(huán)、RS-422標(biāo)準(zhǔn)串行接口通信技術(shù)，以提高抗干擾性和減少傳輸誤碼率。
　　3　采用軟、硬件抗干擾技術(shù)，以保證整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
　　4　采用薄膜面板技術(shù)，使人機(jī)界面友好，便于操作。
　　5　系統(tǒng)軟、硬件采用模塊化設(shè)計思想，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。
　　6　AD590J的調(diào)試采用軟件校正。