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    嵌入式控制器的輸入端口設計分析

    2006-10-19 單片機及嵌入式系統應用

        一、前言

        制造業是我國國民經濟重要的支柱產業,在第二產業中占據中心地位。伴隨中國加入WTO和經濟全球化,中國正在成為世界制造業的中心。中國的制造業企業面臨日益激烈的國內外競爭,如何迅速提高企業的核心競爭力,很重要的一點,就是以信息化帶動工業化,加快信息化進程,走新型工業化道路,實現全社會生產力的跨越式發展。

        縱觀我國制造業信息化系統的應用現狀,建設的重點普遍放在ERP管理系統和現場自動化系統(Shop Floor Control System, SFC)兩個方面。但是,由于產品行銷在這一、二十年間從生產導向快速地演變成市場導向、競爭導向,因而也對制造企業生產現場的管理和組織提出了挑戰,僅僅依靠ERP和現場自動化系統往往無法應付這新的局面。

        工廠制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)恰好能填補這一空白。工廠制造執行系統MES是近10年來在國際上迅速發展、面向車間層的生產管理技術與實時信息系統。MES可以為用戶提供一個快速反應、有彈性、精細化的制造業環境,幫助企業減低成本、按期交貨、提高產品的質量和提高服務質量。適用于不同行業(家電、汽車、半導體、通訊、IT、醫藥),能夠對單一的大批量生產和既有多品種小批量生產又有大批量生產的混合型制造企業提供良好的企業信息管理。目前國外知名企業應用MES系統已經成為普遍現象,國內許多企業也逐漸開始采用這項技術來增強自身的核心競爭力。

        1制造執行系統MES及其功能

        MES的定義

        MES是美國管理界90年代提出的新概念。美國先進制造研究機構AMR(Advanced Manufacturing Research)通過對大量企業的調查發現現有的企業生產管理系統普遍由以ERP/MRPII為代表的企業管理軟件,以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)為代表的生產過程監控軟件和以實現操作過程自動化,支持企業全面集成的MES軟件群組成。根據調查結果,AMR于1992年提出三層企業集成模型(如圖一)。 
     

    amr的三層企業集成模型


        MESA International (MES國際聯合會)是以宣傳MES思想和產品為宗旨的貿易聯合會,它為了幫助其成員組織在企業界推廣MES制定了一系列研究、分析和開發計劃。MESA協會白皮書(MESA White Paper No.6,1997)對MES 系統作如下之定義:

    •MES 系統在產品從工票發出到成品、半成品產出的過程中,扮演生產活動最佳化的信息傳遞者。
    •當事件發生變異時,借著實時正確的信息、生產執行系統規范、原始工作情況、資料反應及回饋,作出快速的響應以減少無附加價值之生產活動,提升工廠生產的效率。
    •MES 改善生產條件及準時出貨、庫存周轉、生產毛利及現金流量效益,MES 并且也在企業與供應鏈之間提供一個雙向的生產信息流。

        MESA協會白皮書(MESA White Paper No.3,1997)中提出說明企業資源規劃(ERP)、MES與控制系統間的作業互動與信息流模式,如圖二所示。 
     

    mes在工廠中的數據流


        圖中左邊ERP等系統需隨時注意產品庫存量、客戶訂單狀況與材料需求,然后將這些信息傳送至MES,由執行系統進行生產或安排庫存以滿足客戶訂單需求。對MES而言,這一層就是生產的計劃層。
    中間部分為MES系統,負責完成產品制造工作,產品的規格、型號、參數等相關資料儲存于此系統中,MES將此產品相關資料轉化為作業程序提供給控制系統之作業人員或機器設備來使用。

        2.MES的功能

        由MES的定義可見,MES為一系列管理功能,它完全可以是各種生產管理的功能軟件集合。MESA通過其各成員的實踐歸納了十一個主要的MES功能模塊,包括:

    工序詳細調度
    資源分配和狀態管理
    生產單元分配
    過程管理
    人力資源管理
    維護管理
    質量管理
    文檔控制
    產品跟蹤和產品清單管理
    性能分析和數據采集

        MES的各功能模型與企業其它信息化系統的關系如圖三所示。實際的MES產品可能同時包含了其中一個或幾個功能模塊。

        二、XX股份制冷車間MES系統的需求分析

        XX制冷機廠的生產管理系統已經運行將近兩年時間,相關的生產計劃系統、倉庫系統、采購系統等已經完成。目前已經到了建立MES系統的時候。建立企業的MES可以解決企業目前存在的以下問題:

    1.分廠管理人員,無法及時知道車間目前的加工狀況;分廠的管理無法做到實時控制;
    2.無法及時統計生產線每一臺設備的加工情況:待加工件、正加工件、已完成件等信息;
    3.無法及時統計車間的設備利用率,設備空轉、停轉、運行的時間,分析和統計形成的原因;
    4.產品因質量出現用戶產品投訴的時候,能否根據產品號碼追溯這批產品的所有生產過程信息?能否立即查明它的:原料供應商、操作機臺、操作人員、經過的工序、生產時間日期和關鍵的工藝參數?
    5.無法及時統計和監控車間每一個零件的質量信息。對于出現質量異常情況的零件,及時提供監控和控制。
    6.同一條生產線需要混合組裝多種型號產品的時候,能否自動校驗和操作提示以防止工人部件裝配錯誤、產品生產流程錯誤、產品混裝和貨品交接錯誤?
    7.不能及時統計分析車間加工過程中,出現的質量問題,精確區分產品質量的隨機波動與異常波動,將質量隱患消滅于萌芽之中;
    8.無法及時提供設備的運行態勢情況;
    9.無法實時統計車間的關鍵零件的運行情況。比如機體、轉子等。
    10.無法實時監控每一個訂單的運行情況,并且以圖形的方式顯示出來。
    11.如何對輔料進行分類處理,同時對每一輔料成本的分攤方式進行定義。
    12.如何利用信息技術進行車間的二級成本核算和成本詳細列表。

        總之,建立企業實時的MES系統,不僅可以提高車間的管理水平,而且可以大大提高企業的管理水平。在同行業的管理水平始終處于領先地位。

        三、XX股份制冷機廠車間加工流程圖

        下面描述制冷機廠生產車間的數據流程圖: 
     

    車間加工過程流程圖

    點擊看原圖

    車間加工過程流程圖

     車間現場調度流程圖

    點擊看原圖


                                                                車間現場調度流程圖 
     
        該流程圖反應車間主要的加工過程,這些過程有的地方需要細化。具體的功能在以后的功能描述中,均已經體現。

        三、車間MES系統的功能描述

        MES系統功能很多,我們前一期的車間系統,已經有了許多的重疊功能。本方案將給出MES系統需要增加的功能。

        3.1 工藝管理系統的改進

        引言

     嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可裁剪,適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序4部分組成,用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

     不管是在科研設備中還是在家用微波爐中,都可以看到嵌入式控制技術的影子,嵌入式控制技術已經成功的應用在各種領域中,并且越來越廣泛的進入到人們的生活中。

     在控制電路的設計中,數據的輸入/輸出端口是控制器完成數據輸出和接收功能的關鍵部分,因此這一部分電路設計的好壞關系到控制器能否正常工作。

     1 數字輸入端口邏輯設計分析
     
     以控制器為中心,按照數據的流向分,控制器的端口分為數字輸入端和數字輸出端兩種,其中最簡單的一種I/O形式是數字輸入。下面從最簡單的數字輸入端設計來討論在輸入端口設計中遇到的實際問題和解決方法。由于控制器的數據輸入輸出引腳數量少,并且在使用時要分時復用,因此一般控制器和外部設備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示,緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間,當處理器要讀取連接在外部接口上的設備信號時,處理器通過READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣,外部設備數據就能夠通過74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸到74HC244的緩沖器中,然后被送到數據總線上,微控制器就能夠讀入設備的數據了。

              

    數字輸入端口邏輯設計分析

                       圖1

     圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況,而對于現在面向便攜式設備的SoC設計,不僅要求性能高、體積小,更要求功耗低。一般而言,SoC的靜態功耗很小,而對負載電容充放電的動態功耗很大。如果總線上掛著很多功能設備,那么會導致總線的電容負載很大。如果總線與片外設備聯系,那么控制器還要驅動很長的片外連線以及片外設備。如果系統設計有許多數字輸入端,那么采用74HC244這種輸入方案就會有些問題。這是由于74HC244三態輸出端的最小電容值為20 pF,比SoC內部各節點的電容負載0.05 pF高出三個量級,過多的74HC244連接會使處理器數據總線上的電容負載值比較大,使得數據總線無法接收數據。

     為了減小電容對數據輸入的影響,可以對圖1所示的方案改進成如圖2所示的方案,采用數據選擇器來替代74HC244,比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF,比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到,采用74HC257可以使控制器的一條數據總線連接兩條輸入端,這就相當于一條數據總線的輸入電容值只有7.5 pF。當然,也可以采用8選1的數字邏輯電路,比如74LS138或74HC151,但是它們沒有三態功能,因此要與74HC244結合使用,來提供數字輸入功能。這樣能使處理器每條數據總線的輸入電容降為只使用74HC244時的1/8。

              

    數字輸入端口邏輯設計分析

                        圖2

     如果系統設計中不需要對多于數據總線數量的數字輸入端進行同時取樣,以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統設計中,要求必須同時取樣大量的數字輸入端,就必須在電路設計中使用鎖存器來鎖存數據。在電路設計中,經常使用的鎖存器是74HC374和74HC574,這兩種鎖存器的功能相當。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊,這樣的排列使制作印刷電路板時的布線比較簡單;另一方面,74HC574的輸出電容值為15 pF,這個值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣,因此在設計中一般選用74HC574,電路連接如圖3所示,使用鎖存器可以同時取樣大量的數據輸入端。

     數據選擇器可以降低每條總線的負載電容值,而不能同時取樣數據輸入端。使用數據鎖存器,會增大數據總線的電容負載,這樣就必須在取樣數據線的數量和采用數據選擇器的數量之間找到一個恰當的點。

     圖4給出了一個較好的解決方案。在電路中,移位寄存器74HC597被級聯在一起,并且與控制器的總線相連接, 這樣可以給處理器提供大量的數字輸入引腳,同時每條總線上的電容負載值又可以達到最小。

     74HC597是移位寄存器,它有8個觸發器與輸入引腳相連,這些觸發器是邊沿觸發的輸入鎖存器;同時,74HC597有另外的8個邊沿觸發的鎖存器串聯在一起,構成移位寄存器。在圖4中,當膠粘邏輯一個上升沿信號給RCLK時,數據輸入引腳的信號被同時取樣,接下來處理器通過膠粘邏輯傳送一個信號給SRLOAD,使取樣得到的數據從輸入鎖存器移入移位寄存器。在移位寄存器內,處理器通過SRCLK使數據每一時鐘周期移動一位,數據在READ端允許讀出時,由D0引腳送到數據總線上。

     還可以對這個電路進行簡單變形,將74HC597的QH信號引腳通過一個多路緩沖器連接到每一條數據總線上,比如采用74HC244,這樣改進后,減少了處理串行數據的時間,并且可以一次讀出。

     2 數據輸入端口保護設計分析 

     前面已經討論了多種解決微處理器數據總線和外部設備接口的方法,下面將從實踐的角度討論避免系統外部干擾的方法。

     在電路設計中,使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設計習慣,因為CMOS器件是電壓控制,而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢,使得芯片內部的三極管作不必要的開關動作,這既增加了噪聲干擾,又耗費了系統的功率。一般,使用上拉電阻或下拉電阻,把未被連接的輸入引腳與電源或接地點連接,使它們有一個確定的電壓值。CMOS輸入引腳的最大輸入電流非常小,只有1 μA左右,因此選用1 MΩ作為上拉電阻或下拉電阻。

     在許多嵌入式系統中,輸入引腳的有效電壓一般是5 V以上或為負值(對地),在這種情況下,使用幾個電阻就可以防止輸入引腳過壓。如圖5所示,CMOS集成塊內部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值,這2個二極管是高速CMOS器件(74HC系列)靜電保護措施的一部分。

     如圖6所示,在輸入端連接2個肖特基二極管,這樣可以更安全的保護輸入端口,但是成本會高一些。前端電壓降到集成塊內部2個二極管導通電壓的1/3,內部的2個二極管不會導通,電流全部通過前端正向偏壓的肖特基二極管。這種電壓保護電路在有些應用設計中是必須的。在一般設計中,沒有輸入引腳需要這樣的額外保護,因為這樣的外部電壓保護需要使用非常講究的印刷電路板,并且往電路板上安裝這些元件也需要一些制造成本,對于只采用無源元件的設計來說,這個安裝成本是不能忽略的。

              

    數據輸入端口保護設計分析

                          圖3

             

     數據輸入端口保護設計分析

                          圖4

           

     數據輸入端口保護設計分析

                     圖5               圖6

     圖7給出了另外一種保護方法,它有兩種作用:一是電容和電阻構成一個低通濾波器,用來減小輸入信號的尖脈沖,而低頻信號能夠通過;二是低通濾波器還有靜電保護的功能。

     下面討論這種設計,如果是理想電容器,1個0.1 μF的電容串聯一個22 kΩ電阻就能夠提供靜電保護。但是實際器件是不會工作在理想狀態下的,在電路中,有等效串聯電阻和等效串聯電感存在,如圖8所示。

                   數據輸入端口保護設計分析
                          圖7

       

    數據輸入端口保護設計分析

                          圖8

     電容生產商通常會給出圖表,用來描述他們生產的電容器的典型ESR(等效串聯電阻)和ESL(等效串聯電感),方便設計者建立適當的電路模型,分析電路的工作原理。但是建立這樣的模型還是很困難,因為電路模型中有些器件的參數是不好確定的。解決這一困難的方法只有通過實驗去驗證,這要增加試驗設備的成本。

     電路中的防靜電保護裝置還有瞬態電壓抑制器TVS(Transient Voltage Suppressor),它是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時,它能以10-12秒量級的速度,將其兩極間的高阻抗變為低阻抗,吸收高達數kW的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預定值,有效地保護電子線路中的精密元器件,免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優點,已廣泛應用于計算機、數碼相機等精密電子設備的保護電路中。如圖9所示,是一個在實踐中被很好保護的輸入引腳,其中L1是電感線圈,用來減少射頻干擾。

     圖9所示電路對于大多數設計來說顯得過分復雜,但如果不使用光電隔離器件,對于精密的設計或者條件要求嚴格的設計來說,圖9所示電路是最好的。在這樣的設計中,元件價格和電路板元件位置的排列也是要考慮的要素。

     由于在制造金屬膜電阻時,金屬線中插入了一些絕緣層來改變金屬線的幾何結構以達到一個準確的電阻值,而這使得靜電容易從絕緣面滲入金屬層。使用這種類型電阻構成的電路有兩種后果:第一,當有靜電電壓時,實際有效電阻值會比其標稱值小;第二,容易形成電離通道,改變電阻的實際值。表面貼片電阻有另外一個問題,那就是當有靜電電壓時,它們與金屬層的焊接點會形成發熱點,這是由于金屬表面不均勻的電流密度引起的。這樣會造成貼片電阻被靜電電流燒毀,在電路中選用電阻時,普通的炭膜電阻是最好的選擇。

     圖9光電隔離器件也可以用于數字輸入引腳靜電保護和防干擾,它們可以用來隔離幾kV的電壓,而輸入設備必須提供比CMOS門電路需要的電流大1000倍的輸入電流給光電隔離器件。光電隔離器件轉換速度比較慢,并且在設計中還要考慮如何保護光電隔離器件中的LED不受靜電的破壞,設計中,要根據設計的需要進行合適的選擇。

     結語

     輸入接口設計是嵌入式控制器系統的關鍵部分,因為嵌入式控制器外部數據的接收,外部設備狀態的反饋都要通過接口才能交給處理器。設計輸入端口時主要考慮兩個方面的實際情況:一是負載能力,即輸入信號能否被控制器接收,二是靜電的防護,現在很多處理器采用CMOS工藝封裝,這能夠滿足低功耗的要求,同時對靜電防護要求更高。




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