串行技术在工业检测系统中的应用
一、前言
刚生产出来的冰箱、冷柜的合格与否由许多指标决定，而制冷性能是其中的一个重要指标。初的制冷性能是靠人工目测温度计进行检验的（仅仅检测到某一瞬间的温度参数，而不是整个生产过程），这不仅浪费人工，还存在着很大的误差。为此设计了一个小型的分散控制系统，通过网络将分布在工业现场的控制站、检测站和操作中心等连接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。该系统通过对冰箱、冷柜的制冷实时检测，不仅可得到高精度的温度参数，还可绘制各种曲线，并就其曲线判断冰箱、冷柜的合格与否，存在什么缺陷，同时进行报表管理及统计。由此可见，系统利用计算机替代原有人工检测，既提高了企业自动化程度，降低出错率，又有助于企业管理。
二、系统组成
本系统是针对冰箱检测系统的容量特点而设计的。整个系统由温度巡检仪和上位机组成，检测单元为温度巡检仪，分散到一条或半条线为一个分散单元（进程级），然后各个分散单元由RS-422网络组成分散系统。系统原理图如图1所示。
图1 系统原理图
现场温度经传感器变换成电流传送给各自的巡检仪，每台巡检仪对64路传感器信号进行循环采集、处理、显示，当上位机寻址到该巡检仪时，该巡检仪通过20mA电流环串行通信方式传输给上位机。上位机通过串行口得到数据，完成数据长久保存、数据查询、打印报表和曲线等功能。
三、温度巡检仪
温度巡检仪是本系统的基础。温度巡检仪可分成三大模块：数据模块、单片机扩展和通信接口。组成框图如图2所示。
图2 温度巡检仪硬件组成框图
它是以单片机8031为核心器件，感温元件AD590J得到的温度信号，经过模拟开关选择、电流电压变换、信号放大、A/D转换，变为数字信号，该信号经CPU处理后，进行显示和通信。
传感器采用的是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度-电流传感器AD590J，具有体积小、重量轻、线性度好、性能稳定等优点，且适合远距离测量和传输，抗干扰性强。其技术指标为：测温范围为-55℃～+150℃，线性电流输出为1μA/K，电压稳定度为1%时，所产生的误差只有±0.01℃。
多路模拟开关选用CD4051。1片CD4051完成1路～8路模拟信号的输入选择与切换，64路模拟量需要8片CD4051完成。CD4051的开关漏电流为0.08nA，而信号源的线性电流为1μA/K，因此CD4051的开关漏电流对于信号源的影响可以忽略不计。
根据设计要求，传感器的输出信号电流I不足以A/D处理，需对信号进行转换和放大。本系统采用低失调低漂移的运算放大器OP07作为信号放大和转换，OP07的输入失调电压温漂dU/dT和输入失调电流温漂dA/dT都很小，分别为0.7mV/℃和12pA/℃，精度比较高，适用于直流及低速的微弱信号放大，转换速率低（0.17V/μs），内附相位补偿线路。温-压信号转换原理图如图3所示。
图3 信号调理电路
输出输入关系为：-I=U/R2+U1/R1。I随着温度的增加而上升，每增加1℃，I上升1μA。U=-R2*（I+U1/R1），显然输出电压和输出电流成线性关系，故输出电压和温度也成线性关系。根据测量范围，选择电阻的阻值和电压U1。
根据误差分配原则，A/D变换精度至少要高于要求的测量精度一个量级。综合考虑A/D转换速度、抗干扰性、价格性能比等指标，本系统选用了逐次逼近型AD574A A/D转换接口。
8031译码输出选择模拟开关，对选定传感器的温度信号进行采集、处理、存储、现场显示，及对上位机的访问。
四、通信接口电路
由一台IBM PC作为主机，多台MCS-51单片机作为从机，通过RS-422总线互连成主从式总线型多微机通信系统，为小型分布式控制系统DCS。
图4表示一台IBMPC为主机，多台MCS-51单片机组成的总线型多微机通信系统。IBM-PC通过机内的异步通信适配器挂在总线上，异步通信适配器的核心是8250芯片，在功能上相当于串行接口芯片。每台MCS-51都是通过片内的串行口经过驱动器转换后挂在总线上。IBM-PC的异步通信适配器提供的信号符合RS-232C总线标准，MC-51串行口提供的信号在功能上支持RS-232C总线标准，但在电平上不符合RS-232C标准的规定，必须经过MC-1488、MC1489变换。但是由于RS-232C总线标准本身存在缺陷，所以在本系统中我们采用了RS-422总线标准，电平先经过MC-3486、MC-3487变换，后经MC-1488、MC-1489转换与主机通信。
图4 总线型多微机通信系统
RS-232C是异步串行通信中应用*的标准总线，其本身是一种协议标准，又是一种电气标准，描述了数据终端DTE和通信设备DCE之间信息交换的方式和功能。但是支持RS-232C总线标准的串行接口芯片在电气特性上并不符合RS-232C的规定，该芯片的信号电平为TTL级，而RS-232C要求的电平范围比TTL级高得多。因此必须经过电平转换。变换电路如图5所示。
图5 RS232C电气图
图6 RS422电气图
RS-232C总线存在的问题有：传送距离过近，不超过15m；单端输入，抗干扰能力差；传输速率偏低，仅20KBps等。而RS-422总线标准又称双端接口电气标准或平衡传输电气标准，是一种平衡驱动、差分接收的接口标准。RS-422电气连接如图6所示。
比较图5与图6，RS-422不同于RS-232C的地方在于传输数据的是两条平衡导线。所谓“平衡"是指输出端为双端平衡驱动器，输入端为双端差分放大器。这一改变有三大好处：
1 如果传输过程中混入干扰与噪声，由于双端输入差分放大作用，使干扰噪声互相抵消，从而增强总线的抗干扰能力。
2 这种接法由两条信号线形成回路，与信号地无关，双方的信号地也不必连在一起，这样避免了“电平偏移"，同时解决了潜在接地的问题。
3 RS-422输出端采用双端平衡驱动，比单端不平衡驱动对电压信号的放大倍数要大一倍。
RS-422所能达到的通信指标为：传送距离为12m时，速率达10Mb/s；传送距离为120m时，速率达1Mb/s；传送距离为1200m时，速率达100Kb/s。所以我们用RS-422总线互连成总线型多微机通信系统。
在MCS-51端使用RS-422电平转换调整和20mA电流环串行接口。
20mA电流环是目前串行通信中应用*泛的一种接口电路，它是低阻传输线对电噪声不敏感，且易实现光电隔离。光电隔离器根据所需传送速率选择，在此选用TLP521-4光电隔离器。本系统是RS-422与光电隔离器相结合用于串行通信电路。如图7所示。此电路有很好的抗干扰能力，可防止强信号直接过来，增强系统可靠性。
图7 20mA电流环串行接口
五、结束语
为提高系统的可靠性，系统采用了以下几种技术：
1 传感器与下位机采用电流传输，以提高信号的传输距离和抗干扰性，采用适合现场使用的温度-电流传感器AD590J。
2 下位机与上位机采用20mA电流环、RS-422标准串行接口通信技术，以提高抗干扰性和减少传输误码率。
3 采用软、硬件抗干扰技术，以保证整个系统的可靠运行。
4 采用薄膜面板技术，使人机界面友好，便于操作。
5 系统软、硬件采用模块化设计思想，以提高系统的可维护性。
6 AD590J的调试采用软件校正。
软件流控制
由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过XON/XOFF来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出XOFF字符（十进制的19或Control-S，设备编程说明书应该有详细阐述），发送端收到XOFF字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出XON字符（十进制的17或Control-Q），发送端收到XON字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。
应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。
顺便说明一下，有不少朋友问到，为什么不在我编写的软件串口调试助手中将流控制加进去，我初将这个调试工具定位在各种自动控制的串口程序调试上，经过计算和实验验证，在设置的特定采样周期内可以完成通讯任务，就干脆不用流控制。而且在工控中您即使不懂流控制，也能编写出简单的串口通讯程序来，就如我写的串口调试助手。