工业现场数据采集常用方案的设计

郭谭娜，王 宁

（1.许昌职业技术学院，许昌 461000；2.青岛环科测控仪器有限公司，青岛 266001）

工业现场通常采用的数据采集方案包括模拟量的采集、数字量的采集、开关量的采集。通过上述三种数据采集方式，数据采集设备可以将工业现场大部分的接口信号收集起来，然后加以分析处理之后，通过有线或者无线的数据传输方式，传至相应的监管或监控部门，以便于后续工作的展开。下边将分别介绍这三种数据采集方案，并分析其各自的优缺点以及在设计中应该注意的事项。

1 模拟量信号的采集方案

1.1 工业现场设备输出的模拟信号一般包含电压信号或者电流信号，常用的是4-20MA 的电流信号或者1-5V 的电压信号作为输出信号源。

1.2 对于模拟量数据的采集必然会牵扯到模数、数模转换的相关元器件。数据采集设备常用的AD/DA 转换芯片主要包括AD 公司生产的双通道16位AD 转换器AD7705、3V/5V CMOS 信号调节AD 转换器AD7714、微功耗8 通道12位AD 转换器AD7888、微功耗、满幅度电压输出、12位DA 转换器AD5320 等。另外，TI 公司的TLC548/549、TLV5616、TLV5580 也是常用的AD 转换芯片，可以根据实际需要进行选择。

1.3 对模拟量采集电路进行设计时，应考虑到对采集的信号进行稳压以及去噪处理，以防止采集到的数据波动范围过大而不满足相关技术的要求。

1.4 以下是基于AD 公司的AD7888 设计的典型应用电路，AD7888 与控制芯片通过SPI 总线进行相关的数据通信。

对于AD7888 的操作，我们需要关注该芯片的供电电压、转换精度、传输速率、基准电压等参数，相关参数在此不再赘述。

上述右图为典型的电流或者电压信号采集电路，基本原理就是将电流信号转换为可检测的电压信号，通过AD7888进行AD 转换，再通过单片机或者其他控制芯片将转换的结果转化为比较直观的数据，从而实现对模拟量数据的转换。还需要注意的一点是，通过上述电路进行电流检测时，需要注意转换电阻的精度，一般采用1‰精度的金属膜电阻，这样可以达到相对准确的电流到电压的转换。

1.5 利用模拟量采集工业现场数据，操作及接口简单，易于维护。但是由于存在外界的干扰、电路本身的精度误差、电路的损耗以及其他未知的因素，造成了模拟量数据采集并不一定可靠，而且模拟量数据可以通过对接入信号的人为控制而改变，达不到数据真实有效的目的，因此，模拟量数据采集正在被数字量信号采集所逐步代替。

2 数字量信号的采集方案

2.1 工业现场设备经常采用RS232 或者RS485 作为数字信号输出的接口标准。

2.2 利用RS232 进行串口通信的原理非常简单，一般通信使用3 根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，上述参数必须匹配。

2.3 RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。而且总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV 的电压，故传输信号在距离较远时也可以正常恢复。RS-485 的工作方式为半双工，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，电路必须通过使能信号进行相关的控制。

2.4 由于RS232 接口存在诸如传输距离有限、容易损坏接口芯片、传输速率低等的缺点，因此，在工业现场，有多个设备并接通信且传输距离较远时，宜采用RS485 接口。

2.5 采用RS232/485 进行信号的传输，需要涉及到相关的协议，在线监测设备和数据采集设备必须遵循相同的协议进行通讯，常用的工业现场的总线协议为MODBUS 协议。

2.6 工业现场可能会出现一次性外接多个RS232 接口进行数据通信的情况。因此如果利用只有单个或者两个RS232 接口的控制芯片进行通信时，就需要考虑到串口扩展的问题。下边是Mega128L 通过TLC16C554 进行串口扩展的典型应用示意图，通过串口扩展，Mega128L 可以同时支持6个串口进行数据通信。

上述示意图中，Mega128L 控制TLC16C554 进行相关的数据操作，而MAX208 的作用则是将TTL 电平转换为RS232电平，从而实现对RS232 接口的扩展。

2.7 串行口进行扩展的方案简介

并行口扩展串口方法的功能比较强大，能提供控制信号、通讯速度高，但控制复杂，占用控制芯片的端口资源较多，同时价格也较高。常用的并口扩展串口的芯片除了上述的TL16C55X 系列的芯片以外还有GM8123/25 等系列芯片用户可根据扩展串口的多少以及具体要求进行选择。

相比较于并行口扩展串口的方法，利用串行口扩展串行口，控制简单，能最大限度地减少控制线，不需要占用太多的主机系统资源，而且通用性强，性能稳定，可保证数据的正确性。但串口扩展也存在不足之处：不满足超低功耗应用要求；多通道模式下，所有子串口工作波特率只能设置成统一值，不适用于各从机工作波特率不一致、又要求同时工作的系 统。

3 开关量信号的采集方案

3.1 工业现场经常会遇到监控电机运行状态、水泵开关时间、其他设备的开通与关断时间等等需要利用开关量进行信号衡量或者控制的情况。

3.2 开关量信号具有开和关、通和断、高电平和低电平两种状态，在数据采集设备中，通常使用二进制数0 和1 来表示。开关量信号可以直接或者通过电平转换芯片转换后与单片机或者其他控制芯片连接，从而实现对开关量信号的监控。如果采用电平转换，应考虑到诸如放大、隔离、缓冲以及驱动电路等相关方面的问题。

3.3 开关量信号广泛应用于工业过程中各类设备的工况数据计时、报警等各种场合，通过对开关量信号的控制，可以对设备的运行状态做出及时准确的应对措施。

3.4 以下是利用光电隔离芯片TLP521-4 进行开关量监测的 典型设计电路。

上图中，输入信号通过光电信号进行开或者关状态的传递，输出端通过控制芯片进行监测，从而完成对开关量信号的采集功能。

4 多种数据采集方案的综合应用

在工业现场的实际应用当中，由于各类设备是由不同生产厂家依据不同的国家标准或者行业标准进行生产和安装的，因此可能存在多种信号同时并存的情况。在对各类信号进行采集时，需要注意对各种信号的分类计算和存储。如果采用单片机系统进行系统的设计，则需要注意在一个循环中完成对多种相关数据信号的同时收集，以免出现监测数据的不完整或者出现无效数据的情况，以下是综合应用系统的示意图。

5 结束语

工业现场的数据采集是一项多变复杂的工程，在设计数据采集电路时，应尽可能的保证接口的规范性和一致性，以便于后续的维护和扩展。而对于采集数据的存储、逻辑判定、维护等等工作，也需要放在数据采集系统中完成。及时、准确、有效的获取数据，是我们进行数据采集系统设计的最终目标。

[1]刘毓梅等，通过异步串口扩展芯片GM8123/25 的原理和应用，成都国腾微电子公司，2004

[2]华艾编，Mcs-5 系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，2001