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，郑雅宏

(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)

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3 RS－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。

［1］STM32F103xx Advanced ARM －based 32－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 Maxim RS－485 Features － Application Note［Z］.Maxim Integrated Products，2010.