工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集常用方案的設(shè)計(jì)

郭譚娜，王 寧

（1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000；2.青島環(huán)科測(cè)控儀器有限公司，青島 266001）

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用的數(shù)據(jù)采集方案包括模擬量的采集、數(shù)字量的采集、開(kāi)關(guān)量的采集。通過(guò)上述三種數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大部分的接口信號(hào)收集起來(lái)，然后加以分析處理之后，通過(guò)有線或者無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳至相應(yīng)的監(jiān)管或監(jiān)控部門(mén)，以便于后續(xù)工作的展開(kāi)。下邊將分別介紹這三種數(shù)據(jù)采集方案，并分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

1 模擬量信號(hào)的采集方案

1.1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸出的模擬信號(hào)一般包含電壓信號(hào)或者電流信號(hào)，常用的是4-20MA 的電流信號(hào)或者1-5V 的電壓信號(hào)作為輸出信號(hào)源。

1.2 對(duì)于模擬量數(shù)據(jù)的采集必然會(huì)牽扯到模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的相關(guān)元器件。數(shù)據(jù)采集設(shè)備常用的AD/DA 轉(zhuǎn)換芯片主要包括AD 公司生產(chǎn)的雙通道16位AD 轉(zhuǎn)換器AD7705、3V/5V CMOS 信號(hào)調(diào)節(jié)AD 轉(zhuǎn)換器AD7714、微功耗8 通道12位AD 轉(zhuǎn)換器AD7888、微功耗、滿幅度電壓輸出、12位DA 轉(zhuǎn)換器AD5320 等。另外，TI 公司的TLC548/549、TLV5616、TLV5580 也是常用的AD 轉(zhuǎn)換芯片，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

1.3 對(duì)模擬量采集電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓以及去噪處理，以防止采集到的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍過(guò)大而不滿足相關(guān)技術(shù)的要求。

1.4 以下是基于AD 公司的AD7888 設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用電路，AD7888 與控制芯片通過(guò)SPI 總線進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)通信。

對(duì)于AD7888 的操作，我們需要關(guān)注該芯片的供電電壓、轉(zhuǎn)換精度、傳輸速率、基準(zhǔn)電壓等參數(shù)，相關(guān)參數(shù)在此不再贅述。

上述右圖為典型的電流或者電壓信號(hào)采集電路，基本原理就是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電壓信號(hào)，通過(guò)AD7888進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單片機(jī)或者其他控制芯片將轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)化為比較直觀的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。還需要注意的一點(diǎn)是，通過(guò)上述電路進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，需要注意轉(zhuǎn)換電阻的精度，一般采用1‰精度的金屬膜電阻，這樣可以達(dá)到相對(duì)準(zhǔn)確的電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

1.5 利用模擬量采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，操作及接口簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。但是由于存在外界的干擾、電路本身的精度誤差、電路的損耗以及其他未知的因素，造成了模擬量數(shù)據(jù)采集并不一定可靠，而且模擬量數(shù)據(jù)可以通過(guò)對(duì)接入信號(hào)的人為控制而改變，達(dá)不到數(shù)據(jù)真實(shí)有效的目的，因此，模擬量數(shù)據(jù)采集正在被數(shù)字量信號(hào)采集所逐步代替。

2 數(shù)字量信號(hào)的采集方案

2.1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備經(jīng)常采用RS232 或者RS485 作為數(shù)字信號(hào)輸出的接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 利用RS232 進(jìn)行串口通信的原理非常簡(jiǎn)單，一般通信使用3 根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，上述參數(shù)必須匹配。

2.3 RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。而且總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV 的電壓，故傳輸信號(hào)在距離較遠(yuǎn)時(shí)也可以正?；謴?fù)。RS-485 的工作方式為半雙工，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，電路必須通過(guò)使能信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的控制。

2.4 由于RS232 接口存在諸如傳輸距離有限、容易損壞接口芯片、傳輸速率低等的缺點(diǎn)，因此，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有多個(gè)設(shè)備并接通信且傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，宜采用RS485 接口。

2.5 采用RS232/485 進(jìn)行信號(hào)的傳輸，需要涉及到相關(guān)的協(xié)議，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須遵循相同的協(xié)議進(jìn)行通訊，常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議為MODBUS 協(xié)議。

2.6 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)一次性外接多個(gè)RS232 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的情況。因此如果利用只有單個(gè)或者兩個(gè)RS232 接口的控制芯片進(jìn)行通信時(shí)，就需要考慮到串口擴(kuò)展的問(wèn)題。下邊是Mega128L 通過(guò)TLC16C554 進(jìn)行串口擴(kuò)展的典型應(yīng)用示意圖，通過(guò)串口擴(kuò)展，Mega128L 可以同時(shí)支持6個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

上述示意圖中，Mega128L 控制TLC16C554 進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)操作，而MAX208 的作用則是將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RS232 接口的擴(kuò)展。

2.7 串行口進(jìn)行擴(kuò)展的方案簡(jiǎn)介

并行口擴(kuò)展串口方法的功能比較強(qiáng)大，能提供控制信號(hào)、通訊速度高，但控制復(fù)雜，占用控制芯片的端口資源較多，同時(shí)價(jià)格也較高。常用的并口擴(kuò)展串口的芯片除了上述的TL16C55X 系列的芯片以外還有GM8123/25 等系列芯片用戶可根據(jù)擴(kuò)展串口的多少以及具體要求進(jìn)行選擇。

相比較于并行口擴(kuò)展串口的方法，利用串行口擴(kuò)展串行口，控制簡(jiǎn)單，能最大限度地減少控制線，不需要占用太多的主機(jī)系統(tǒng)資源，而且通用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，可保證數(shù)據(jù)的正確性。但串口擴(kuò)展也存在不足之處：不滿足超低功耗應(yīng)用要求；多通道模式下，所有子串口工作波特率只能設(shè)置成統(tǒng)一值，不適用于各從機(jī)工作波特率不一致、又要求同時(shí)工作的系 統(tǒng)。

3 開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集方案

3.1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)遇到監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、水泵開(kāi)關(guān)時(shí)間、其他設(shè)備的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間等等需要利用開(kāi)關(guān)量進(jìn)行信號(hào)衡量或者控制的情況。

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)具有開(kāi)和關(guān)、通和斷、高電平和低電平兩種狀態(tài)，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，通常使用二進(jìn)制數(shù)0 和1 來(lái)表示。開(kāi)關(guān)量信號(hào)可以直接或者通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后與單片機(jī)或者其他控制芯片連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的監(jiān)控。如果采用電平轉(zhuǎn)換，應(yīng)考慮到諸如放大、隔離、緩沖以及驅(qū)動(dòng)電路等相關(guān)方面的問(wèn)題。

3.3 開(kāi)關(guān)量信號(hào)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中各類設(shè)備的工況數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)、報(bào)警等各種場(chǎng)合，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的控制，可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出及時(shí)準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)措施。

3.4 以下是利用光電隔離芯片TLP521-4 進(jìn)行開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)的 典型設(shè)計(jì)電路。

上圖中，輸入信號(hào)通過(guò)光電信號(hào)進(jìn)行開(kāi)或者關(guān)狀態(tài)的傳遞，輸出端通過(guò)控制芯片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而完成對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集功能。

4 多種數(shù)據(jù)采集方案的綜合應(yīng)用

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于各類設(shè)備是由不同生產(chǎn)廠家依據(jù)不同的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)和安裝的，因此可能存在多種信號(hào)同時(shí)并存的情況。在對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，需要注意對(duì)各種信號(hào)的分類計(jì)算和存儲(chǔ)。如果采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則需要注意在一個(gè)循環(huán)中完成對(duì)多種相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)收集，以免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不完整或者出現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)的情況，以下是綜合應(yīng)用系統(tǒng)的示意圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集是一項(xiàng)多變復(fù)雜的工程，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路時(shí)，應(yīng)盡可能的保證接口的規(guī)范性和一致性，以便于后續(xù)的維護(hù)和擴(kuò)展。而對(duì)于采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、邏輯判定、維護(hù)等等工作，也需要放在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中完成。及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的獲取數(shù)據(jù)，是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

[1]劉毓梅等，通過(guò)異步串口擴(kuò)展芯片GM8123/25 的原理和應(yīng)用，成都國(guó)騰微電子公司，2004

[2]華艾編，Mcs-5 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2001