一种安全可靠的工业现场无源开关量数据采集系统的设计_郑雅伟

山西电子技术2014年第2期
应用实践
收稿日期：2014－01－15
作者简介：郑雅伟（1985-），男，山西交口人，助理讲师，研究方向为电子与通信工程。

郑雅宏（1990-），男，山西交口人，在读研究生，研究方向为机电一体化。

文章编号：1674-4578（2014）02-0006-02
一种安全可靠的工业现场无源开关量
数据采集系统的设计
郑雅伟1，郑雅宏
2
（1．山西经济管理干部学院，山西太原030024；2．太原科技大学，山西太原030024）
摘
要：阐述了在恶劣的工业现场环境下，如何能将无源开关量信号安全、可靠、实时地传递到人机界面，实现
对工业现场设备运行、
环境参数、安全报警等重要信息的实时监控。

关键词：工业现场；无源；开关量；ＲS485；STM32；数据采集
中图分类号：TN98文献标识码：A
1技术背景
随着十二五规划中各行业工业系统升级的逐步落实，工
业现场的智能化已经成为大势所趋，如何能够在环境恶劣的工业场合进行智能化电子系统的嵌入，一直是工业现场智能化研究的重要课题。

在工业现场中，常常需要采集一些无源开关状态，传递到人机界面，以便工作人员能够准确实时的得到设备运行、环境参数、安全报警等重要信息。

与其他类型数据相比，无
源开关量数据的特点是数据量小，
但对数据的准确性和实时性要求极高，这个特点对无源开关量数据系统的采集提出了
很高的要求。

首先，系统的安全性要求高。

工业现场存在很多大功率强电设备，可能产生较大的静电及击穿电弧，智能化系统的主控制电路通常为耐压等级较低的MCU 、芯片和元件，如果
现场工作人员的操作不当，很可能会对系统造成不可逆的损坏。

其次，系统的抗干扰能力要求高。

智能化工业现场的通
信协议繁杂，标准不一，各种有线及通信方式互相串扰，数据在采集和传输过程中，很可能会受到不同程度的干扰，在一些干扰大的场合，即使是抗干扰能力很强的数字信号，也可能会被噪声淹没。

为解决上述问题，本文提出了一些解决方案。

在系统的安全性方面，本文提出一种信号隔离的方式，来确保开关量数据在采集过程中，如果发生突发性的冲击电压，系统可以安全稳定的工作。

在系统抗干扰能力方面，本文采用了一种低成本、高纠错能力工业现场通信协议，在最大程度上确保了数据的准确性。

2系统方案
图1所示为本文所涉及的无源开关量采集系统的结构
图。

若干路的无源开关量信号被该系统采集后，经过加工和处理，由ＲS485总线传输至工业现场环境之外的远程计算机，通过协议转换，使计算机能够准确、实时地获取数据。

图1
无源开关量采集系统结构图
为保证系统的安全性，本方案将通过电源隔离技术和信
号隔离技术，将供电电源、开关量数据、ＲS485总线分别进行隔离，这样就使整个系统在保证信号正常传输的前提下，在
电气上和外界无共地点，一旦外界对系统输入较大的冲击电压，将能够避免损失，或者将损失降到最小。

为保证系统的可靠性，本方案采用了ＲS485总线进行数据传输，ＲS485接口是采用平衡驱动器和差分－接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

3硬件电路设计
硬件电路的主体包括三部分：无源开关量采集及隔离电
路（如图2）、ＲS485传输及隔离电路（如图3）、电源隔离电
路（如图4）。

在无源开关量采集及隔离电路中，四路开关量分别从KIN0/KIN1/KIN2/KIN3输入，其无源特性体现在：当开关量输入点接地时，
即为开关合状态；当其悬空时，即为开关开状态，开关量接入点在开、合状态均不带电。

本电路中，
MCU 选用意法半导体公司的STM32F103VET6［1］
，隔离芯片选用光耦芯片TLP521。

当开关量有输入，会触发光耦芯片前级
导通，进而打开后级开关管，
MCU 对应的GPIO 口将得到电平“1”；反之，当开关量输入点悬空时，光耦芯片前级未通，后级开关管没有打开，
MCU 对应的GPIO 口输入即为“0”。

这样的电路结构，既保证了无源开关量数据的准确采集，还通过光耦隔离，使对外开关量接入点和MCU进行了电气隔离，确保了电路的安全性。

ＲS485传输及隔离电路，ＲS485物理层芯片选用MAX3485［3］，信号隔离芯片选用ADUM1201，控制信号隔离芯片选用TLP521，MCU的USAＲT的TX和ＲX在连接ＲS485物理层芯片之前，通过隔离芯片进行了信号隔离，确保了电路的安全性。

DE信号作为ＲS485物理层芯片半双工方式的切换信号，可以连接MCU中的普通IO口，实现灵活控制，DE信号同样经过隔离来确保电路的安全性。

电源隔离是非常重要的环节。

为实现真正的信号隔离，在隔离芯片TLP521和ADUM1201的两侧的供电只能为隔离电源，本方案采用了IF0505作为电源隔离芯片，使整个系统的各个隔离模块真正生效。

图2无源开关量采集及隔离电路图
图3ＲS－485传输及隔离电路图
图4电源隔离电路图
4软件设计
本系统的软件实现方法较为灵活，大致可以采用变送和定时刷新两种方式。

变送的方式是一旦无源开关量状态发生变化，即进行数据的上传。

此方式的优点是实时性高，MCU的工作效率高。

缺点是如果系统发生故障，数据将停止传送，此时容易造成上位机的误判断，无法对系统故障和无数据两种状态进行区分。

解决这个问题，需要加入心跳协议，心跳数据传输的同时，亦增加了系统开销。

本系统方案采用的是定时刷新的方式。

此方式需要开启一个系统定时器，定时读取IO口的无源开关量数据，并将数据不间断地上传，这样，数据包传递数据的同时，也起到了心跳包的作用。

如图5为系统主函数的流程图。

主要包括系统时钟、定时器、GPIOE、USAＲT的配置和初始化，根据对数据实时性的要求，可以对定时器的定时值进行合理的配置，以及循环读取GPIOE的输入数据。

与此同时，需要编写定时器中断服务函数，在定时器溢出中断服务函数中，需要启动USAＲT数据传输，值得注意的是，在数据传输之前需要发出DE信号，确保ＲS485物理层芯片工作在发送状态。

图5主函数流程图
5系统拓展与前瞻
根据工业现场的实际情况来看，无源开关量数据的采集和传输只是工业现场数据采集和传输的其中一个课题，在智能化程度越来越高的工业现场，各种传感器数据、开关量数据、流媒体数据等需要一个庞大的数据传输网来支撑。

本方案只是完成了其中一个环节的设计，如何能将本系统完美地融入工业现场通信网络，是本方案接下来需要进行的工作。

工业现场通信网络可分为有线和无线两大类。

有线通信的方式基本分为各类现场总线和以太网两种方式。

本方案中的ＲS485通信方式，虽然具有较强的抗干扰能力和可靠性，但如果要实现网络化，还需要大量工作。

如果不需要过多考虑成本问题，可以采用现场总线的方式来实现数据传输，这样既保证了高可靠性和抗干扰能力，还能够无缝融入工业现场的标准通信网，在更好地解决实际问题的同时，极大地提高了系统的兼容性和可移植性。

参考文献
［1］STM32F103xx Advanced AＲM－based32－bit MCUs Datasheet［Z］．意法半导体公司，2009．
［2］STM32F10x Standard Peripherals Library［Z］．意法半导体公司，2011．
［3］Explanation of MaximＲS－485Features－Application Note［Z］．Maxim Integrated Products，2010．
（下转第12页）
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第2期郑雅伟，等：一种安全可靠的工业现场无源开关量数据采集系统的设计
电极或漏极对宽放外壳电阻值，如果出现短路通壳现象说明此管已经击穿需要更换；并测量基极、集电极、发射极之间或栅极、漏极、源极之间有无击穿现象。

◆更换管子时切不可用烙铁直接焊接Q3管和Q2管，可用防静电烙铁拆除旧管子，同样的方法焊接新管子。

◆将Q3栅极脱开电源供电端，调整直流电压源为28V 给宽放加静态电压，测量Q3栅极供电端电压为3．36V左右，观察电压源电流显示应为1．2A左右，电流相差较大时，说明此管性能已经很差不可使用（如发现直流电压源电流特别大10 25A，电压只有10V以下说明漏栅极击穿）。

重新焊接Q3栅极电源供电端，加静态电压观察。

◆调整内部电源VＲ1输出端可调电阻Ｒ29时，应注意每次调整电压最大范围为0．2V左右，最大调整至3．36V即可，切勿再增大电压否则有烧坏Q3管的可能。

◆断开Q3栅极控制电压，调整Q1或Q2基极电压为0．7V，并同时观察直流电压源电流为0．2A。

◆动态测试宽放，宽放外壳接地线并接直流电压源的负极，频率合成器的输出端经10dB衰减器后接入宽放的输入端，并置频率合成器电平于0dB。

宽放输出端经功率计后与假负载相连接，其间的连接线应使用特性阻抗为50Ω的连接线，以保证输入输出间的阻抗匹配。

假负载是由四根3Ｒ13（220Ω）纯阻并联成55Ω负载电阻，并安装在铁皮箱内（铁皮箱外壳接地线），四周有大功率风扇进行冷却。

将宽放外壳拆除并使用风机冷却。

频综调整合适频率；合28V 直流电压电源，缓慢增加频综输出电平，观察直流电压源的输出电流大小和功率计的功率指示大小，依据两者的变化情况判断宽放的工作情况。

可根据实际情况适当调整各管子的基极电压或栅极电压。

更换频综频率观察电流指示和功率指示，用示波器在假负载测试口观察其波形变化情况。

7宽频带放大器各级管子简介
各级管子应在屏蔽环境中储存。

Q1型号：2N3866（NPN型）晶体管；基极电压1．2V；发射极0．5V；集电极电压28V。

Q2型号：MＲF136（N沟道）MOS管；栅极电压0．7V；漏极电压28V。

Q3型号：MＲF141G（N沟道）MOS管或BLF248（NPN 型）晶体管；栅极电压2．8 3．6V；漏极电压28V。

Q1和Q2管基极与发射极或栅极与源极电压差为0．7V 左右。

8DF100A型宽放的发展方向
DF100A型宽放设计之初有300W功率，只用到200W 功率，有足够的富裕量。

但是实际情况却并非如此，在低频段还能满足需求，但在高频段时经常出现输出功率不足的情况，再加上长时间不间断的工作原因，宽放故障率越来越高，在此提出一些建设性想法用以解决此问题。

利用现有设备，将两组宽放进行功率合成。

在两组宽放输入端之前，将射频信号进行功率分配后再分别送入两组宽放，又在两组宽放分别放大之后加入功率合成器。

这样，利用每组宽放单独放大后的功率再进行合成，使得输出功率会更大，从而解决单独宽放输出功率小的问题。

Analysis of Working Principle and Fault for DF100A Wdeband Amplifier
Chen Qingsong
（The554Station，State Administration of Press，Publication，Ｒadio，Film，and Television，Xingyang Henan450100，China）Abstract：The working principle，failure analysis and processing method of DF100A type transmitter200W wideband amplifier are mainly introduced．A new way of thinking for the future development direction of wideband amplifier is provided to solve the problem of high fault rate fundamentally．
Key words：DF100A type transmitter；200W broadband amplifier；MＲF141G；
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
MＲF1
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Design of a Safe andＲeliable Passive Switch Industrial
Site Data Acquisition System
Zheng Yawei1，Zheng Yahong2
（1．Shanxi Institute of Economic Management，Taiyuan Shanxi030024，China；
2．Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）Abstract：This paper describes how to safely，reliably and real－timely transfer the passive switch signal to the man－machine in-terface in harsh industrial environments and realize the monitoring in real－time for the important information of devices operation in the field，environmental parameters and security alarm．
Key words：industrial field；passive；switch；ＲS485；STM32；data collection
21山西电子技术2014年。