工業現場數據采集常用方案的設計

郭譚娜，王 寧

（1.許昌職業技術學院，許昌 461000；2.青島環科測控儀器有限公司，青島 266001）

工業現場通常采用的數據采集方案包括模擬量的采集、數字量的采集、開關量的采集。通過上述三種數據采集方式，數據采集設備可以將工業現場大部分的接口信號收集起來，然后加以分析處理之后，通過有線或者無線的數據傳輸方式，傳至相應的監管或監控部門，以便于后續工作的展開。下邊將分別介紹這三種數據采集方案，并分析其各自的優缺點以及在設計中應該注意的事項。

1 模擬量信號的采集方案

1.1 工業現場設備輸出的模擬信號一般包含電壓信號或者電流信號，常用的是4-20MA 的電流信號或者1-5V 的電壓信號作為輸出信號源。

1.2 對于模擬量數據的采集必然會牽扯到模數、數模轉換的相關元器件。數據采集設備常用的AD/DA 轉換芯片主要包括AD 公司生產的雙通道16位AD 轉換器AD7705、3V/5V CMOS 信號調節AD 轉換器AD7714、微功耗8 通道12位AD 轉換器AD7888、微功耗、滿幅度電壓輸出、12位DA 轉換器AD5320 等。另外，TI 公司的TLC548/549、TLV5616、TLV5580 也是常用的AD 轉換芯片，可以根據實際需要進行選擇。

1.3 對模擬量采集電路進行設計時，應考慮到對采集的信號進行穩壓以及去噪處理，以防止采集到的數據波動范圍過大而不滿足相關技術的要求。

1.4 以下是基于AD 公司的AD7888 設計的典型應用電路，AD7888 與控制芯片通過SPI 總線進行相關的數據通信。

對于AD7888 的操作，我們需要關注該芯片的供電電壓、轉換精度、傳輸速率、基準電壓等參數，相關參數在此不再贅述。

上述右圖為典型的電流或者電壓信號采集電路，基本原理就是將電流信號轉換為可檢測的電壓信號，通過AD7888進行AD 轉換，再通過單片機或者其他控制芯片將轉換的結果轉化為比較直觀的數據，從而實現對模擬量數據的轉換。還需要注意的一點是，通過上述電路進行電流檢測時，需要注意轉換電阻的精度，一般采用1‰精度的金屬膜電阻，這樣可以達到相對準確的電流到電壓的轉換。

1.5 利用模擬量采集工業現場數據，操作及接口簡單，易于維護。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，造成了模擬量數據采集并不一定可靠，而且模擬量數據可以通過對接入信號的人為控制而改變，達不到數據真實有效的目的，因此，模擬量數據采集正在被數字量信號采集所逐步代替。

2 數字量信號的采集方案

2.1 工業現場設備經常采用RS232 或者RS485 作為數字信號輸出的接口標準。

2.2 利用RS232 進行串口通信的原理非常簡單，一般通信使用3 根線完成：（1）地線，（2）發送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，上述參數必須匹配。

2.3 RS-485 采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。而且總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV 的電壓，故傳輸信號在距離較遠時也可以正常恢復。RS-485 的工作方式為半雙工，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，電路必須通過使能信號進行相關的控制。

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，因此，在工業現場，有多個設備并接通信且傳輸距離較遠時，宜采用RS485 接口。

2.5 采用RS232/485 進行信號的傳輸，需要涉及到相關的協議，在線監測設備和數據采集設備必須遵循相同的協議進行通訊，常用的工業現場的總線協議為MODBUS 協議。

2.6 工業現場可能會出現一次性外接多個RS232 接口進行數據通信的情況。因此如果利用只有單個或者兩個RS232 接口的控制芯片進行通信時，就需要考慮到串口擴展的問題。下邊是Mega128L 通過TLC16C554 進行串口擴展的典型應用示意圖，通過串口擴展，Mega128L 可以同時支持6個串口進行數據通信。

上述示意圖中，Mega128L 控制TLC16C554 進行相關的數據操作，而MAX208 的作用則是將TTL 電平轉換為RS232電平，從而實現對RS232 接口的擴展。

2.7 串行口進行擴展的方案簡介

并行口擴展串口方法的功能比較強大，能提供控制信號、通訊速度高，但控制復雜，占用控制芯片的端口資源較多，同時價格也較高。常用的并口擴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擴展串口的多少以及具體要求進行選擇。

相比較于并行口擴展串口的方法，利用串行口擴展串行口，控制簡單，能最大限度地減少控制線，不需要占用太多的主機系統資源，而且通用性強，性能穩定，可保證數據的正確性。但串口擴展也存在不足之處：不滿足超低功耗應用要求；多通道模式下，所有子串口工作波特率只能設置成統一值，不適用于各從機工作波特率不一致、又要求同時工作的系 統。

3 開關量信號的采集方案

3.1 工業現場經常會遇到監控電機運行狀態、水泵開關時間、其他設備的開通與關斷時間等等需要利用開關量進行信號衡量或者控制的情況。

3.2 開關量信號具有開和關、通和斷、高電平和低電平兩種狀態，在數據采集設備中，通常使用二進制數0 和1 來表示。開關量信號可以直接或者通過電平轉換芯片轉換后與單片機或者其他控制芯片連接，從而實現對開關量信號的監控。如果采用電平轉換，應考慮到諸如放大、隔離、緩沖以及驅動電路等相關方面的問題。

3.3 開關量信號廣泛應用于工業過程中各類設備的工況數據計時、報警等各種場合，通過對開關量信號的控制，可以對設備的運行狀態做出及時準確的應對措施。

3.4 以下是利用光電隔離芯片TLP521-4 進行開關量監測的 典型設計電路。

上圖中，輸入信號通過光電信號進行開或者關狀態的傳遞，輸出端通過控制芯片進行監測，從而完成對開關量信號的采集功能。

4 多種數據采集方案的綜合應用

在工業現場的實際應用當中，由于各類設備是由不同生產廠家依據不同的國家標準或者行業標準進行生產和安裝的，因此可能存在多種信號同時并存的情況。在對各類信號進行采集時，需要注意對各種信號的分類計算和存儲。如果采用單片機系統進行系統的設計，則需要注意在一個循環中完成對多種相關數據信號的同時收集，以免出現監測數據的不完整或者出現無效數據的情況，以下是綜合應用系統的示意圖。

5 結束語

工業現場的數據采集是一項多變復雜的工程，在設計數據采集電路時，應盡可能的保證接口的規范性和一致性，以便于后續的維護和擴展。而對于采集數據的存儲、邏輯判定、維護等等工作，也需要放在數據采集系統中完成。及時、準確、有效的獲取數據，是我們進行數據采集系統設計的最終目標。

[1]劉毓梅等，通過異步串口擴展芯片GM8123/25 的原理和應用，成都國騰微電子公司，2004

[2]華艾編，Mcs-5 系列單片機實用接口技術，北京航空航天大學出版社，2001