石 巍

基于MCS51串口通訊在半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備改善中的應(yīng)用

石 巍

（江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司集成電路中心設(shè)備科,江陰 214400）

主要介紹了基于MCS51單片機(jī)為核心的開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)通訊模塊，針對(duì)扁平電纜機(jī)械使用壽命所導(dǎo)致設(shè)備之故障，通過(guò)對(duì)單片機(jī)STC89C52的串口編程實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備的控制站與行車間的數(shù)據(jù)通訊，信號(hào)傳輸模式的改變減輕了線纜失效帶來(lái)的不良影響。方案采用RS485全雙工工作協(xié)議，穩(wěn)定可靠，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。此項(xiàng)目也是基于TPM設(shè)備管理理念的改善性維修項(xiàng)目，是由TPM團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備各失效現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)和分析后，可節(jié)約電鍍生產(chǎn)線上的線纜資源，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，為今后TPM工作的推廣指明了方向。

單片機(jī)；串口；通訊；TPM體系

1 引 言

TPM（Total Productive Maintenance），即全員生產(chǎn)維護(hù)，又譯為全員生產(chǎn)保全，是自上世紀(jì)七十年代在日本興起，并推行于全世界工業(yè)界的一種現(xiàn)代設(shè)備管理維修制度。強(qiáng)調(diào)全員參與“生產(chǎn)維修”，通過(guò)自主維修、個(gè)別改善等使得設(shè)備處于維修—保養(yǎng)—點(diǎn)檢—改善的良性循環(huán)之中，最大化地降低設(shè)備維護(hù)成本、提升生產(chǎn)效率[1]。在長(zhǎng)電公司TPM小組的工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)自動(dòng)電鍍線設(shè)備中行車扁平纜線失效的情況，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的數(shù)字量采集通訊系統(tǒng)，采用串行通訊傳遞控制柜和行車間的數(shù)據(jù)交換，節(jié)約了設(shè)備維護(hù)成本，提高了設(shè)備的可維護(hù)性。達(dá)成了預(yù)測(cè)性維護(hù)改善的目標(biāo)。

2 TPM模式設(shè)備維護(hù)

半導(dǎo)體制造包含在器件引腳上電鍍錫層的工序。懸掛式自動(dòng)電鍍線設(shè)備常用于在電鍍工序完成鍍錫工藝。設(shè)備維護(hù)部門為提升企業(yè)的設(shè)備管理水平，提高設(shè)備的利用效率，引入TPM設(shè)備管理體系。成立TPM小組，建立故障及維修數(shù)據(jù)分析找出故障重復(fù)次數(shù)多、時(shí)隔時(shí)間短、維修工作量大、對(duì)生產(chǎn)影響大的單元和部件，把它們作為維修保養(yǎng)的重點(diǎn)對(duì)象，給出改進(jìn)方案，并對(duì)其進(jìn)行改善型維修[2]。

3 設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析

自動(dòng)電鍍線設(shè)備有行車兩部，控制站和行車間由24芯扁平電纜實(shí)現(xiàn)電氣連接，如圖1所示。所有的連接都采用并行方式，每個(gè)輸入輸出都要占用一條線路，并且強(qiáng)弱電能流在一條電纜中傳輸也是一種不規(guī)范的設(shè)計(jì)。

圖1 設(shè)備連接示意圖

由圖2表單分析，很多故障都和扁平電纜有關(guān)（扁帶線不良、行車無(wú)動(dòng)作、變頻器經(jīng)常報(bào)警等等）。這是因?yàn)楸馄诫娎|有一定的機(jī)械壽命，運(yùn)行時(shí)電纜反復(fù)彎曲和拉伸，容易造成電纜線內(nèi)部斷裂失效。電鍍線設(shè)備運(yùn)行1年以上就會(huì)發(fā)生此類故障，一旦備份線路資源修理消耗完畢，常用以下處理方式：

（1）緊急修理時(shí)外部重新放單芯線處理，此法雖省時(shí)、成本低，但易造成線路凌亂，不符合5S要求，留下故障隱患；

（2）設(shè)備保養(yǎng)時(shí)將整條扁平電纜更換，費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，而且造成不小的浪費(fèi)（90%的線路完好卻不得不報(bào)廢），硬件資源開(kāi)銷大。因此，TPM小組提出一種降低扁平電纜失效對(duì)設(shè)備運(yùn)行影響的改善項(xiàng)目，使用串行通訊模塊將設(shè)備信號(hào)由并行改為串行。

圖2 設(shè)備異常數(shù)據(jù)分析

4 通訊模塊的設(shè)計(jì)

串口是計(jì)算機(jī)上一種通用設(shè)備通信的電路接口，其示意圖如圖3，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，無(wú)論你要發(fā)送的數(shù)據(jù)是8位、16位或者更多，對(duì)于硬件都不會(huì)有額外的要求，盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信[3]。

常用的串口通訊有RS-232、RS-422、20mA環(huán)流等等。RS-232使用非平衡參考地的信號(hào)；RS-422使用差分信號(hào)；RS-485（EIA-485標(biāo)準(zhǔn)）就是RS-422的改進(jìn)；RS-485可以看做是RS232協(xié)議的替代標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的RS-232相比，其在通訊速率（最大10Mbit/s）、傳輸距離(最大1000米)、多機(jī)連接等方面，均有了非常大的提高，它能更好的抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離[4]。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠(yuǎn)的傳輸距離是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)足以滿足多數(shù)工業(yè)通訊的需要，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用。

RS485采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接受的方法，相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，輸入同一個(gè)信號(hào)時(shí)，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出永遠(yuǎn)是另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的反相信號(hào)，兩條線上傳輸?shù)男盘?hào)電平，當(dāng)一個(gè)表示邏輯"1"時(shí)，另一個(gè)一定為邏輯"0"，當(dāng)干擾信號(hào)作為共模信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，接受器差分輸入電壓，只要接收器有足夠的抗共模電壓工作范圍，就能識(shí)別兩個(gè)信號(hào)并正確接收傳輸?shù)男畔?。因此RS-485能在長(zhǎng)距離、高速率下傳輸

圖3 串口通信示意圖

數(shù)據(jù)。接口電路如圖4。

圖4 RS-485通信示意圖

4.1 通訊模塊硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)電鍍線的通訊系統(tǒng)主要由控制柜的信號(hào)發(fā)送接收器與行車信號(hào)發(fā)送接收器兩部分組成，兩部分均由微控制器單元、數(shù)字量采集電路、數(shù)字量輸出電路、串行口通訊電路組成。

設(shè)計(jì)中采用了高速51內(nèi)核MCU，具體型號(hào)為STC89C52，8051 架構(gòu)，最高外部時(shí)鐘 40MHz，雙倍速可達(dá)80MHz，片內(nèi)8KB閃存，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程[5-6]。與8051系列端口兼容，四路雙向，8位I/O端口，三個(gè)16位定時(shí)器，512字節(jié)暫存RAM。支持電源管理模式，可編程時(shí)鐘分頻器，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件自動(dòng)退出，降低功耗。

設(shè)計(jì)所用外設(shè)的特性為：全雙工串口、可編程看門狗定時(shí)器、8個(gè)中斷源、四級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。豐富的內(nèi)部資源使得無(wú)需過(guò)多的擴(kuò)展即可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。89C52的串行口輸入輸出均為TTL電平，這種以TTL電平傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾性差，傳輸距離短，只限于板卡內(nèi)部使用，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，實(shí)際應(yīng)用中采用的是標(biāo)準(zhǔn)串行接口RS-485。

圖5為原理圖和PCB設(shè)計(jì)。

圖5 通訊模塊電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作電壓為DC 5V，而PLC回路的工作電壓為DC 24V，采用光耦在兩種電源之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入。而信號(hào)的輸出則采用ULN2803NPN達(dá)林頓功率集成電路，輸入兼容5V TTL、CMOS電平，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，輸出最大可500mA，可驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈、繼電器等小型負(fù)載。

4.2 通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

在通訊模塊的設(shè)計(jì)中，涉及的軟件包括串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)校驗(yàn)；看門狗防跑飛；保護(hù)等。軟件主流程如圖7所示。由于模塊主要功能為數(shù)據(jù)通訊，采用輪詢即可，控制站從行車獲得的數(shù)據(jù)確認(rèn)經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后刷新數(shù)據(jù)寄存器，傳送給PLC調(diào)用。

軟件流程確立之后，就進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。選用MCS-51軟件開(kāi)發(fā)工具KEIL uVision2。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。主要任務(wù)是建立工程、對(duì)工程進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，生成C源代碼，調(diào)試編譯，最后將源程序變?yōu)槟繕?biāo)代碼，寫(xiě)入MCU的EEPROM[7-8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)電鍍線行車通訊模塊的開(kāi)發(fā)是應(yīng)用TPM理念改善設(shè)備諸多案例中一個(gè)代表。其解決了困擾自動(dòng)電鍍線維護(hù)的一個(gè)主要異常，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了維護(hù)性，降低了設(shè)備維護(hù)的成本，同時(shí)提升了5S品質(zhì)。微處理器的應(yīng)用和電子CAD的開(kāi)發(fā)提高了公司設(shè)備隊(duì)伍的技術(shù)水平，為今后的設(shè)備改造提供了一個(gè)有力的技術(shù)手段。

[1] 朱少軍.TPM推進(jìn)解決方案[M].廣東經(jīng)濟(jì)出版社,2011.Zhu Shaojun.TPM Propulsion Solution [M].Guangdong Economics Press,2011.

[2]JIPM-S（日）.TPM推進(jìn)法[M].東方出版社,2013.JIPM-S (Jap.).TPM Propulsion Method [M].Oriental Publishinghouse,2013.

[3] 王敏.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2013.Wang Min.Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer[M].Tsinghua University Press,2013.

[4] 夏術(shù)泉.通訊電子線路[M].北京理工大學(xué)出版社，2010.Xia yuquan.Communication Electronic Circuit[M].Beijing Instituteof Technology Press,2010.

[5]劉巖川.MCS-51系列單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].電子工業(yè)出版社，2014.Liu Yanchuan.Principle and System Design of McS-51 Series Single-chip Microcomputer[M].Electronic Industry Press,2014.

[6] 丁向榮.STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011.Dingxian.STCSeries Enhanced 8051 Single Chip Microcontroller Principle and Application [M].Electronic Industry Press,2011.

[7] 徐愛(ài)鈞.Keil C51單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)用編程[M].電子工業(yè)出版社，2013.Xu Aijun.Keil C51 Single-chip Microcomputer Advanced Language Application Programming[M].Electronic Industry Press,2013.

[8]夏江華.Protel DXP電路設(shè)計(jì)與制板 [M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.Xiajianghua.Design and Manufactureof Protel DXPCircuit[M].Beijing University of Aeronauticsand Astronautics Press,2012.

Design of Serial Communication Module for Improvement of the Plating Equipment

Shi Wei
(Equipment Department,JiangSu ChangJiang Elec.Tech.,Jiangyin 214400,China)

A communication module based on MCS51 SCM for the digital switching was introduced.For the failure of the equipment caused by the mechanical durability of the flat ribbon cable on the equipment,it was applied in the corrective project to eliminate the negative influence for the cable failure by changing the signal transfer mode.The design was realized for communication between the control station and the bridge crane of the semiconductor plating equipment through programming STC89C52 serial port.The communication interface solution is RS-485 full duplex operation that provides reliable and flexible connectivity services on the industrial field.The project was implemented as the corrective maintenance under the guidance of Total Productive Maintenance(TPM).The TPM group establish the improvement direction through the statistics of all kinds of the failure and the analysis of the equipment conditions.Implementation of the project saves a lot of the cable resource of the electroplating automatic production line，more importantly the performance of the improvement project has proved to be a successful operation in terms of decreasing the trouble rate and improvement of the machine's operating efficiency and reliability with TPM method.Points out the direction of further TPM work in the future.

SCM；Communication；RS485；TPM

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.021

A

1002-2279-（2017）06-0090-03

石?。?978－），男，江蘇省江陰人，設(shè)備工程師，主研方向：電氣自動(dòng)化控制與設(shè)備管理。

2017-11-30