鄭雅偉，鄭雅宏

(1.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原030024;2.太原科技大學(xué)，山西太原030024)

1 技術(shù)背景

隨著十二五規(guī)劃中各行業(yè)工業(yè)系統(tǒng)升級的逐步落實，工業(yè)現(xiàn)場的智能化已經(jīng)成為大勢所趨，如何能夠在環(huán)境惡劣的工業(yè)場合進(jìn)行智能化電子系統(tǒng)的嵌入，一直是工業(yè)現(xiàn)場智能化研究的重要課題。

在工業(yè)現(xiàn)場中，常常需要采集一些無源開關(guān)狀態(tài)，傳遞到人機(jī)界面，以便工作人員能夠準(zhǔn)確實時的得到設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境參數(shù)、安全報警等重要信息。與其他類型數(shù)據(jù)相比，無源開關(guān)量數(shù)據(jù)的特點是數(shù)據(jù)量小，但對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性要求極高，這個特點對無源開關(guān)量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集提出了很高的要求。

首先，系統(tǒng)的安全性要求高。工業(yè)現(xiàn)場存在很多大功率強(qiáng)電設(shè)備，可能產(chǎn)生較大的靜電及擊穿電弧，智能化系統(tǒng)的主控制電路通常為耐壓等級較低的MCU、芯片和元件，如果現(xiàn)場工作人員的操作不當(dāng)，很可能會對系統(tǒng)造成不可逆的損壞。

其次，系統(tǒng)的抗干擾能力要求高。智能化工業(yè)現(xiàn)場的通信協(xié)議繁雜，標(biāo)準(zhǔn)不一，各種有線及通信方式互相串?dāng)_，數(shù)據(jù)在采集和傳輸過程中，很可能會受到不同程度的干擾，在一些干擾大的場合，即使是抗干擾能力很強(qiáng)的數(shù)字信號，也可能會被噪聲淹沒。

為解決上述問題，本文提出了一些解決方案。在系統(tǒng)的安全性方面，本文提出一種信號隔離的方式，來確保開關(guān)量數(shù)據(jù)在采集過程中，如果發(fā)生突發(fā)性的沖擊電壓，系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定的工作。在系統(tǒng)抗干擾能力方面，本文采用了一種低成本、高糾錯能力工業(yè)現(xiàn)場通信協(xié)議，在最大程度上確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)方案

圖1所示為本文所涉及的無源開關(guān)量采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。若干路的無源開關(guān)量信號被該系統(tǒng)采集后，經(jīng)過加工和處理，由RS485總線傳輸至工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境之外的遠(yuǎn)程計算機(jī)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，使計算機(jī)能夠準(zhǔn)確、實時地獲取數(shù)據(jù)。

圖1 無源開關(guān)量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為保證系統(tǒng)的安全性，本方案將通過電源隔離技術(shù)和信號隔離技術(shù)，將供電電源、開關(guān)量數(shù)據(jù)、RS485總線分別進(jìn)行隔離，這樣就使整個系統(tǒng)在保證信號正常傳輸?shù)那疤嵯?，在電氣上和外界無共地點，一旦外界對系統(tǒng)輸入較大的沖擊電壓，將能夠避免損失，或者將損失降到最小。

為保證系統(tǒng)的可靠性，本方案采用了RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分－接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

3 硬件電路設(shè)計

硬件電路的主體包括三部分:無源開關(guān)量采集及隔離電路(如圖2)、RS485傳輸及隔離電路(如圖3)、電源隔離電路(如圖4)。

在無源開關(guān)量采集及隔離電路中，四路開關(guān)量分別從KIN0/KIN1/KIN2/KIN3輸入，其無源特性體現(xiàn)在:當(dāng)開關(guān)量輸入點接地時，即為開關(guān)合狀態(tài);當(dāng)其懸空時，即為開關(guān)開狀態(tài)，開關(guān)量接入點在開、合狀態(tài)均不帶電。本電路中，MCU選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6［1］，隔離芯片選用光耦芯片TLP521。當(dāng)開關(guān)量有輸入，會觸發(fā)光耦芯片前級導(dǎo)通，進(jìn)而打開后級開關(guān)管，MCU對應(yīng)的GPIO口將得到電平“1”;反之，當(dāng)開關(guān)量輸入點懸空時，光耦芯片前級未通，后級開關(guān)管沒有打開，MCU對應(yīng)的GPIO口輸入即為“0”。這樣的電路結(jié)構(gòu)，既保證了無源開關(guān)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，還通過光耦隔離，使對外開關(guān)量接入點和MCU進(jìn)行了電氣隔離，確保了電路的安全性。

RS485傳輸及隔離電路，RS485物理層芯片選用MAX3485［3］，信號隔離芯片選用 ADUM1201，控制信號隔離芯片選用 TLP521，MCU的 USART的 TX和 RX在連接RS485物理層芯片之前，通過隔離芯片進(jìn)行了信號隔離，確保了電路的安全性。DE信號作為RS485物理層芯片半雙工方式的切換信號，可以連接MCU中的普通IO口，實現(xiàn)靈活控制，DE信號同樣經(jīng)過隔離來確保電路的安全性。

電源隔離是非常重要的環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)真正的信號隔離，在隔離芯片TLP521和ADUM1201的兩側(cè)的供電只能為隔離電源，本方案采用了IF0505作為電源隔離芯片，使整個系統(tǒng)的各個隔離模塊真正生效。

圖2 無源開關(guān)量采集及隔離電路圖

圖3 RS－485傳輸及隔離電路圖

圖4 電源隔離電路圖

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法較為靈活，大致可以采用變送和定時刷新兩種方式。

變送的方式是一旦無源開關(guān)量狀態(tài)發(fā)生變化，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。此方式的優(yōu)點是實時性高，MCU的工作效率高。缺點是如果系統(tǒng)發(fā)生故障，數(shù)據(jù)將停止傳送，此時容易造成上位機(jī)的誤判斷，無法對系統(tǒng)故障和無數(shù)據(jù)兩種狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。解決這個問題，需要加入心跳協(xié)議，心跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，亦增加了系統(tǒng)開銷。

本系統(tǒng)方案采用的是定時刷新的方式。此方式需要開啟一個系統(tǒng)定時器，定時讀取IO口的無源開關(guān)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)不間斷地上傳，這樣，數(shù)據(jù)包傳遞數(shù)據(jù)的同時，也起到了心跳包的作用。如圖5為系統(tǒng)主函數(shù)的流程圖。主要包括系統(tǒng)時鐘、定時器、GPIOE、USART的配置和初始化，根據(jù)對數(shù)據(jù)實時性的要求，可以對定時器的定時值進(jìn)行合理的配置，以及循環(huán)讀取GPIOE的輸入數(shù)據(jù)。與此同時，需要編寫定時器中斷服務(wù)函數(shù)，在定時器溢出中斷服務(wù)函數(shù)中，需要啟動USART數(shù)據(jù)傳輸，值得注意的是，在數(shù)據(jù)傳輸之前需要發(fā)出DE信號，確保RS485物理層芯片工作在發(fā)送狀態(tài)。

圖5 主函數(shù)流程圖

5 系統(tǒng)拓展與前瞻

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況來看，無源開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集和傳輸只是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)钠渲幸粋€課題，在智能化程度越來越高的工業(yè)現(xiàn)場，各種傳感器數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)等需要一個龐大的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)來支撐。本方案只是完成了其中一個環(huán)節(jié)的設(shè)計，如何能將本系統(tǒng)完美地融入工業(yè)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，是本方案接下來需要進(jìn)行的工作。

工業(yè)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)可分為有線和無線兩大類。有線通信的方式基本分為各類現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)兩種方式。本方案中的RS485通信方式，雖然具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠性，但如果要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，還需要大量工作。如果不需要過多考慮成本問題，可以采用現(xiàn)場總線的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這樣既保證了高可靠性和抗干擾能力，還能夠無縫融入工業(yè)現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)，在更好地解決實際問題的同時，極大地提高了系統(tǒng)的兼容性和可移植性。

［1］STM32F103xx Advanced ARM －based 32－bit MCUs Datasheet［Z］.意法半導(dǎo)體公司，2009.

［2］STM32F10x Standard Peripherals Library［Z］.意法半導(dǎo)體公司，2011.

［3］Explanation of Maxim RS－485 Features － Application Note［Z］.Maxim Integrated Products，2010.