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串行技術在工業檢測系統中的應用
串行技術在工業檢測系統中的應用
一、前言
剛生產出來的冰箱、冷柜的合格與否由許多指標決定，而制冷性能是其中的一個重要指標。最初的制冷性能是靠人工目測溫度計進行檢驗的（僅僅檢測到某一瞬間的溫度參數，而不是整個生產過程），這不僅浪費人工，還存在著很大的誤差。為此設計了一個小型的分散控制系統，通過網絡將分布在工業現場的控制站、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。該系統通過對冰箱、冷柜的制冷實時檢測，不僅可得到高精度的溫度參數，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，同時進行報表管理及統計。由此可見，系統利用計算機替代原有人工檢測，既提高了企業自動化程度，降低出錯率，又有助于企業管理。
二、系統組成
本系統是針對冰箱檢測系統的容量特點而設計的。整個系統由溫度巡檢儀和上位機組成，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（進程級），然后各個分散單元由RS-422網絡組成分散系統。系統原理圖如圖1所示。
圖1 系統原理圖
現場溫度經傳感器變換成電流傳送給各自的巡檢儀，每臺巡檢儀對64路傳感器信號進行循環采集、處理、顯示，當上位機尋址到該巡檢儀時，該巡檢儀通過20mA電流環串行通信方式傳輸給上位機。上位機通過串行口得到數據，完成數據長久保存、數據查詢、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的基礎。溫度巡檢儀可分成三大模塊：數據模塊、單片機擴展和通信接口。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8031為核心器件，感溫元件AD590J得到的溫度信號，經過模擬開關選擇、電流電壓變換、信號放大、A/D轉換，變為數字信號，該信號經CPU處理后，進行顯示和通信。
傳感器采用的是美國Analog Devices公司生產的二端式集成溫度-電流傳感器AD590J，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩定等優點，且適合遠距離測量和傳輸，抗干擾性強。其技術指標為：測溫范圍為-55℃～+150℃，線性電流輸出為1μA/K，電壓穩定度為1%時，所產生的誤差只有±0.01℃。
多路模擬開關選用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的開關漏電流為0.08nA，而信號源的線性電流為1μA/K，因此CD4051的開關漏電流對于信號源的影響可以忽略不計。
根據設計要求，傳感器的輸出信號電流I不足以A/D處理，需對信號進行轉換和放大。本系統采用低失調低漂移的運算放大器OP07作為信號放大和轉換，OP07的輸入失調電壓溫漂dU/dT和輸入失調電流溫漂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，轉換速率低（0.17V/μs），內附相位補償線路。溫-壓信號轉換原理圖如圖3所示。
圖3 信號調理電路
輸出輸入關系為：-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系，故輸出電壓和溫度也成線性關系。根據測量范圍，選擇電阻的阻值和電壓U1。
根據誤差分配原則，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轉換速度、抗干擾性、價格性能比等指標，本系統選用了逐次逼近型AD574A A/D轉換接口。
8031譯碼輸出選擇模擬開關，對選定傳感器的溫度信號進行采集、處理、存儲、現場顯示，及對上位機的訪問。
四、通信接口電路
由一臺IBM PC作為主機，多臺MCS-51單片機作為從機，通過RS-422總線互連成主從式總線型多微機通信系統，為小型分布式控制系統DCS。
圖4表示一臺IBMPC為主機，多臺MCS-51單片機組成的總線型多微機通信系統。IBM-PC通過機內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，在功能上相當于串行接口芯片。每臺MCS-51都是通過片內的串行口經過驅動器轉換后掛在總線上。IBM-PC的異步通信適配器提供的信號符合RS-232C總線標準，MC-51串行口提供的信號在功能上支持RS-232C總線標準，但在電平上不符合RS-232C標準的規定，必須經過MC-1488、MC1489變換。但是由于RS-232C總線標準本身存在缺陷，所以在本系統中我們采用了RS-422總線標準，電平先經過MC-3486、MC-3487變換，最后經MC-1488、MC-1489轉換與主機通信。
圖4 總線型多微機通信系統
RS-232C是異步串行通信中應用*的標準總線，其本身是一種協議標準，又是一種電氣標準，描述了數據終端DTE和通信設備DCE之間信息交換的方式和功能。但是支持RS-232C總線標準的串行接口芯片在電氣特性上并不符合RS-232C的規定，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。因此必須經過電平轉換。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總線標準又稱雙端接口電氣標準或平衡傳輸電氣標準，是一種平衡驅動、差分接收的接口標準。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的地方在于傳輸數據的是兩條平衡導線。所謂“平衡"是指輸出端為雙端平衡驅動器，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，與信號地無關，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動，比單端不平衡驅動對電壓信號的放大倍數要大一倍。
RS-422所能達到的通信指標為：傳送距離為12m時，速率達10Mb/s；傳送距離為120m時，速率達1Mb/s；傳送距離為1200m時，速率達100Kb/s。所以我們用RS-422總線互連成總線型多微機通信系統。
在MCS-51端使用RS-422電平轉換調整和20mA電流環串行接口。
20mA電流環是目前串行通信中應用*泛的一種接口電路，它是低阻傳輸線對電噪聲不敏感，且易實現光電隔離。光電隔離器根據所需傳送速率選擇，在此選用TLP521-4光電隔離器。本系統是RS-422與光電隔離器相結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，可防止強信號直接過來，增強系統可靠性。
圖7 20mA電流環串行接口
五、結束語
總之，為提高系統的可靠性，系統采用了以下幾種技術：
1 傳感器與下位機采用電流傳輸，以提高信號的傳輸距離和抗干擾性，采用適合現場使用的溫度-電流傳感器AD590J。
2 下位機與上位機采用20mA電流環、RS-422標準串行接口通信技術，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，以保證整個系統的可靠運行。
4 采用薄膜面板技術，使人機界面友好，便于操作。
5 系統軟、硬件采用模塊化設計思想，以提高系統的可維護性。
6 AD590J的調試采用軟件校正。