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串行技術(shù)在工業(yè)檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用
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(shù),，而不是整個生產(chǎn)過程），這不僅浪費人工,，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,，同時進行報表管理及統(tǒng)計。由此可見,，系統(tǒng)利用計算機替代原有人工檢測,，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)的容量特點而設(shè)計的,。整個系統(tǒng)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(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路傳感器信號進行循環(huán)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(huán)串行通信方式傳輸給上位機,。上位機通過串行口得到數(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(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,，且適合遠距離測量和傳輸,，抗干擾性強。其技術(shù)指標為：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，需對信號進行轉(zhuǎn)換和放大。本系統(tǒng)采用低失調(diào)低漂移的運算放大器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,，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行采集,、處理、存儲,、現(xiàn)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(tǒng),，為小型分布式控制系統(tǒng)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(tǒng),。IBM-PC通過機內(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(guī)定,，必須經(jīng)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(tǒng)中我們采用了RS-422總線標準,，電平先經(jīng)過MC-3486、MC-3487變換,，最后經(jīng)MC-1488,、MC-1489轉(zhuǎn)換與主機通信。
圖4 總線型多微機通信系統(tǒng)
RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用*的標準總線,，其本身是一種協(xié)議標準,，又是一種電氣標準，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總線標準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(qū)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(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(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,，可防止強信號直接過來，增強系統(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 下位機與上位機采用20mA電流環(huán),、RS-422標準串行接口通信技術(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)的可靠運行,。
4 采用薄膜面板技術(shù),，使人機界面友好,，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)的可維護性。
6 AD590J的調(diào)試采用軟件校正,。