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    嵌入式控制器的输入端口设计分析

    2006-10-19 单片机及嵌入式系统应用

        一、前言

        制造业是我国国民经济重要的支柱产业,在第二产业中占据中心地位。伴随中国加入WTO和经济全球化,中国正在成为世界制造业的中心。中国的制造业企业面临日益激烈的国内外竞争,如何迅速提高企业的核心竞争力,很重要的一点,就是以信息化带动工业化,加快信息化进程,走新型工业化道路,实现全社会生产力的跨越式发展。

        纵观我国制造业信息化系统的应用现状,建设的重点普遍放在ERP管理系统和现场自动化系统(Shop Floor Control System, SFC)两个方面。但是,由于产品行销在这一、二十年间从生产导向快速地演变成市场导向、竞争导向,因而也对制造企业生产现场的管理和组织提出了挑战,仅仅依靠ERP和现场自动化系统往往无法应付这新的局面。

        工厂制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)恰好能填补这一空白。工厂制造执行系统MES是近10年来在国际上迅速发展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境,帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。适用于不同行业(家电、汽车、半导体、通讯、IT、医药),能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。目前国外知名企业应用MES系统已经成为普遍现象,国内许多企业也逐渐开始采用这项技术来增强自身的核心竞争力。

        1制造执行系统MES及其功能

        MES的定义

        MES是美国管理界90年代提出的新概念。美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)通过对大量企业的调查发现现有的企业生产管理系统普遍由以ERP/MRPII为代表的企业管理软件,以SCADA、HMI(Human Machine Inteface)为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化,支持企业全面集成的MES软件群组成。根据调查结果,AMR于1992年提出三层企业集成模型(如图一)。 
     

    amr的三层企业集成模型


        MESA International (MES国际联合会)是以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会,它为了帮助其成员组织在企业界推广MES制定了一系列研究、分析和开发计划。MESA协会白皮书(MESA White Paper No.6,1997)对MES 系统作如下之定义:

    •MES 系统在产品从工票发出到成品、半成品产出的过程中,扮演生产活动最佳化的信息传递者。
    •当事件发生变异时,借着实时正确的信息、生产执行系统规范、原始工作情况、资料反应及回馈,作出快速的响应以减少无附加价值之生产活动,提升工厂生产的效率。
    •MES 改善生产条件及准时出货、库存周转、生产毛利及现金流量效益,MES 并且也在企业与供应链之间提供一个双向的生产信息流。

        MESA协会白皮书(MESA White Paper No.3,1997)中提出说明企业资源规划(ERP)、MES与控制系统间的作业互动与信息流模式,如图二所示。 
     

    mes在工厂中的数据流


        图中左边ERP等系统需随时注意产品库存量、客户订单状况与材料需求,然后将这些信息传送至MES,由执行系统进行生产或安排库存以满足客户订单需求。对MES而言,这一层就是生产的计划层。
    中间部分为MES系统,负责完成产品制造工作,产品的规格、型号、参数等相关资料储存于此系统中,MES将此产品相关资料转化为作业程序提供给控制系统之作业人员或机器设备来使用。

        2.MES的功能

        由MES的定义可见,MES为一系列管理功能,它完全可以是各种生产管理的功能软件集合。MESA通过其各成员的实践归纳了十一个主要的MES功能模块,包括:

    工序详细调度
    资源分配和状态管理
    生产单元分配
    过程管理
    人力资源管理
    维护管理
    质量管理
    文档控制
    产品跟踪和产品清单管理
    性能分析和数据采集

        MES的各功能模型与企业其它信息化系统的关系如图三所示。实际的MES产品可能同时包含了其中一个或几个功能模块。

        二、XX股份制冷车间MES系统的需求分析

        XX制冷机厂的生产管理系统已经运行将近两年时间,相关的生产计划系统、仓库系统、采购系统等已经完成。目前已经到了建立MES系统的时候。建立企业的MES可以解决企业目前存在的以下问题:

    1.分厂管理人员,无法及时知道车间目前的加工状况;分厂的管理无法做到实时控制;
    2.无法及时统计生产线每一台设备的加工情况:待加工件、正加工件、已完成件等信息;
    3.无法及时统计车间的设备利用率,设备空转、停转、运行的时间,分析和统计形成的原因;
    4.产品因质量出现用户产品投诉的时候,能否根据产品号码追溯这批产品的所有生产过程信息?能否立即查明它的:原料供应商、操作机台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数?
    5.无法及时统计和监控车间每一个零件的质量信息。对于出现质量异常情况的零件,及时提供监控和控制。
    6.同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候,能否自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错误?
    7.不能及时统计分析车间加工过程中,出现的质量问题,精确区分产品质量的随机波动与异常波动,将质量隐患消灭于萌芽之中;
    8.无法及时提供设备的运行态势情况;
    9.无法实时统计车间的关键零件的运行情况。比如机体、转子等。
    10.无法实时监控每一个订单的运行情况,并且以图形的方式显示出来。
    11.如何对辅料进行分类处理,同时对每一辅料成本的分摊方式进行定义。
    12.如何利用信息技术进行车间的二级成本核算和成本详细列表。

        总之,建立企业实时的MES系统,不仅可以提高车间的管理水平,而且可以大大提高企业的管理水平。在同行业的管理水平始终处于领先地位。

        三、XX股份制冷机厂车间加工流程图

        下面描述制冷机厂生产车间的数据流程图: 
     

    车间加工过程流程图

    点击看原图

    车间加工过程流程图

     车间现场调度流程图

    点击看原图


                                                                车间现场调度流程图 
     
        该流程图反应车间主要的加工过程,这些过程有的地方需要细化。具体的功能在以后的功能描述中,均已经体现。

        三、车间MES系统的功能描述

        MES系统功能很多,我们前一期的车间系统,已经有了许多的重叠功能。本方案将给出MES系统需要增加的功能。

        3.1 工艺管理系统的改进

        引言

     嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序4部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

     不管是在科研设备中还是在家用微波炉中,都可以看到嵌入式控制技术的影子,嵌入式控制技术已经成功的应用在各种领域中,并且越来越广泛的进入到人们的生活中。

     在控制电路的设计中,数据的输入/输出端口是控制器完成数据输出和接收功能的关键部分,因此这一部分电路设计的好坏关系到控制器能否正常工作。

     1 数字输入端口逻辑设计分析
     
     以控制器为中心,按照数据的流向分,控制器的端口分为数字输入端和数字输出端两种,其中最简单的一种I/O形式是数字输入。下面从最简单的数字输入端设计来讨论在输入端口设计中遇到的实际问题和解决方法。由于控制器的数据输入输出引脚数量少,并且在使用时要分时复用,因此一般控制器和外部设备之间使用缓冲器或锁存器连接。如图1所示,缓冲器74HC244放置在处理器和外部器件之间,当处理器要读取连接在外部接口上的设备信号时,处理器通过READ引脚使74HC244输出引脚有效。这样,外部设备数据就能够通过74HC244的A0~A3和B0~B3引脚传输到74HC244的缓冲器中,然后被送到数据总线上,微控制器就能够读入设备的数据了。

              

    数字输入端口逻辑设计分析

                       图1

     图1所示的接口方式适合于输入端少的情况,而对于现在面向便携式设备的SoC设计,不仅要求性能高、体积小,更要求功耗低。一般而言,SoC的静态功耗很小,而对负载电容充放电的动态功耗很大。如果总线上挂着很多功能设备,那么会导致总线的电容负载很大。如果总线与片外设备联系,那么控制器还要驱动很长的片外连线以及片外设备。如果系统设计有许多数字输入端,那么采用74HC244这种输入方案就会有些问题。这是由于74HC244三态输出端的最小电容值为20 pF,比SoC内部各节点的电容负载0.05 pF高出三个量级,过多的74HC244连接会使处理器数据总线上的电容负载值比较大,使得数据总线无法接收数据。

     为了减小电容对数据输入的影响,可以对图1所示的方案改进成如图2所示的方案,采用数据选择器来替代74HC244,比如用74HC257。74HC257输出端的最大电容值为15 pF,比74HC244的输出端电容稍小一些。从图2中可以看到,采用74HC257可以使控制器的一条数据总线连接两条输入端,这就相当于一条数据总线的输入电容值只有7.5 pF。当然,也可以采用8选1的数字逻辑电路,比如74LS138或74HC151,但是它们没有三态功能,因此要与74HC244结合使用,来提供数字输入功能。这样能使处理器每条数据总线的输入电容降为只使用74HC244时的1/8。

              

    数字输入端口逻辑设计分析

                        图2

     如果系统设计中不需要对多于数据总线数量的数字输入端进行同时取样,以上的74HC244和74HC257方案就完全可以适用。如果在系统设计中,要求必须同时取样大量的数字输入端,就必须在电路设计中使用锁存器来锁存数据。在电路设计中,经常使用的锁存器是74HC374和74HC574,这两种锁存器的功能相当。由于74HC574的输入引脚和输出引脚分列在集成块的两边,这样的排列使制作印刷电路板时的布线比较简单;另一方面,74HC574的输出电容值为15 pF,这个值与74HC244的输出电容值几乎一样,因此在设计中一般选用74HC574,电路连接如图3所示,使用锁存器可以同时取样大量的数据输入端。

     数据选择器可以降低每条总线的负载电容值,而不能同时取样数据输入端。使用数据锁存器,会增大数据总线的电容负载,这样就必须在取样数据线的数量和采用数据选择器的数量之间找到一个恰当的点。

     图4给出了一个较好的解决方案。在电路中,移位寄存器74HC597被级联在一起,并且与控制器的总线相连接, 这样可以给处理器提供大量的数字输入引脚,同时每条总线上的电容负载值又可以达到最小。

     74HC597是移位寄存器,它有8个触发器与输入引脚相连,这些触发器是边沿触发的输入锁存器;同时,74HC597有另外的8个边沿触发的锁存器串联在一起,构成移位寄存器。在图4中,当胶粘逻辑一个上升沿信号给RCLK时,数据输入引脚的信号被同时取样,接下来处理器通过胶粘逻辑传送一个信号给SRLOAD,使取样得到的数据从输入锁存器移入移位寄存器。在移位寄存器内,处理器通过SRCLK使数据每一时钟周期移动一位,数据在READ端允许读出时,由D0引脚送到数据总线上。

     还可以对这个电路进行简单变形,将74HC597的QH信号引脚通过一个多路缓冲器连接到每一条数据总线上,比如采用74HC244,这样改进后,减少了处理串行数据的时间,并且可以一次读出。

     2 数据输入端口保护设计分析 

     前面已经讨论了多种解决微处理器数据总线和外部设备接口的方法,下面将从实践的角度讨论避免系统外部干扰的方法。

     在电路设计中,使CMOS器件的输入端悬空是一种不良的设计习惯,因为CMOS器件是电压控制,而未被连接的输入端有靠近CMOS门槛电压输入的趋势,使得芯片内部的三极管作不必要的开关动作,这既增加了噪声干扰,又耗费了系统的功率。一般,使用上拉电阻或下拉电阻,把未被连接的输入引脚与电源或接地点连接,使它们有一个确定的电压值。CMOS输入引脚的最大输入电流非常小,只有1 μA左右,因此选用1 MΩ作为上拉电阻或下拉电阻。

     在许多嵌入式系统中,输入引脚的有效电压一般是5 V以上或为负值(对地),在这种情况下,使用几个电阻就可以防止输入引脚过压。如图5所示,CMOS集成块内部的2个二极管可以把电压钳位在CMOS器件输入电压值,这2个二极管是高速CMOS器件(74HC系列)静电保护措施的一部分。

     如图6所示,在输入端连接2个肖特基二极管,这样可以更安全的保护输入端口,但是成本会高一些。前端电压降到集成块内部2个二极管导通电压的1/3,内部的2个二极管不会导通,电流全部通过前端正向偏压的肖特基二极管。这种电压保护电路在有些应用设计中是必须的。在一般设计中,没有输入引脚需要这样的额外保护,因为这样的外部电压保护需要使用非常讲究的印刷电路板,并且往电路板上安装这些元件也需要一些制造成本,对于只采用无源元件的设计来说,这个安装成本是不能忽略的。

              

    数据输入端口保护设计分析

                          图3

             

     数据输入端口保护设计分析

                          图4

           

     数据输入端口保护设计分析

                     图5               图6

     图7给出了另外一种保护方法,它有两种作用:一是电容和电阻构成一个低通滤波器,用来减小输入信号的尖脉冲,而低频信号能够通过;二是低通滤波器还有静电保护的功能。

     下面讨论这种设计,如果是理想电容器,1个0.1 μF的电容串联一个22 kΩ电阻就能够提供静电保护。但是实际器件是不会工作在理想状态下的,在电路中,有等效串联电阻和等效串联电感存在,如图8所示。

                   数据输入端口保护设计分析
                          图7

       

    数据输入端口保护设计分析

                          图8

     电容生产商通常会给出图表,用来描述他们生产的电容器的典型ESR(等效串联电阻)和ESL(等效串联电感),方便设计者建立适当的电路模型,分析电路的工作原理。但是建立这样的模型还是很困难,因为电路模型中有些器件的参数是不好确定的。解决这一困难的方法只有通过实验去验证,这要增加试验设备的成本。

     电路中的防静电保护装置还有瞬态电压抑制器TVS(Transient Voltage Suppressor),它是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数kW的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点,已广泛应用于计算机、数码相机等精密电子设备的保护电路中。如图9所示,是一个在实践中被很好保护的输入引脚,其中L1是电感线圈,用来减少射频干扰。

     图9所示电路对于大多数设计来说显得过分复杂,但如果不使用光电隔离器件,对于精密的设计或者条件要求严格的设计来说,图9所示电路是最好的。在这样的设计中,元件价格和电路板元件位置的排列也是要考虑的要素。

     由于在制造金属膜电阻时,金属线中插入了一些绝缘层来改变金属线的几何结构以达到一个准确的电阻值,而这使得静电容易从绝缘面渗入金属层。使用这种类型电阻构成的电路有两种后果:第一,当有静电电压时,实际有效电阻值会比其标称值小;第二,容易形成电离通道,改变电阻的实际值。表面贴片电阻有另外一个问题,那就是当有静电电压时,它们与金属层的焊接点会形成发热点,这是由于金属表面不均匀的电流密度引起的。这样会造成贴片电阻被静电电流烧毁,在电路中选用电阻时,普通的炭膜电阻是最好的选择。

     图9光电隔离器件也可以用于数字输入引脚静电保护和防干扰,它们可以用来隔离几kV的电压,而输入设备必须提供比CMOS门电路需要的电流大1000倍的输入电流给光电隔离器件。光电隔离器件转换速度比较慢,并且在设计中还要考虑如何保护光电隔离器件中的LED不受静电的破坏,设计中,要根据设计的需要进行合适的选择。

     结语

     输入接口设计是嵌入式控制器系统的关键部分,因为嵌入式控制器外部数据的接收,外部设备状态的反馈都要通过接口才能交给处理器。设计输入端口时主要考虑两个方面的实际情况:一是负载能力,即输入信号能否被控制器接收,二是静电的防护,现在很多处理器采用CMOS工艺封装,这能够满足低功耗的要求,同时对静电防护要求更高。




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