石 巍

基于MCS51串口通訊在半導(dǎo)體電鍍設(shè)備改善中的應(yīng)用

石 巍

（江蘇長電科技股份有限公司集成電路中心設(shè)備科,江陰 214400）

主要介紹了基于MCS51單片機為核心的開關(guān)量數(shù)據(jù)通訊模塊，針對扁平電纜機械使用壽命所導(dǎo)致設(shè)備之故障，通過對單片機STC89C52的串口編程實現(xiàn)在半導(dǎo)體電鍍設(shè)備的控制站與行車間的數(shù)據(jù)通訊，信號傳輸模式的改變減輕了線纜失效帶來的不良影響。方案采用RS485全雙工工作協(xié)議，穩(wěn)定可靠，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。此項目也是基于TPM設(shè)備管理理念的改善性維修項目，是由TPM團隊對設(shè)備各失效現(xiàn)象統(tǒng)計和分析后，可節(jié)約電鍍生產(chǎn)線上的線纜資源，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，為今后TPM工作的推廣指明了方向。

單片機；串口；通訊；TPM體系

1 引 言

TPM（Total Productive Maintenance），即全員生產(chǎn)維護，又譯為全員生產(chǎn)保全，是自上世紀(jì)七十年代在日本興起，并推行于全世界工業(yè)界的一種現(xiàn)代設(shè)備管理維修制度。強調(diào)全員參與“生產(chǎn)維修”，通過自主維修、個別改善等使得設(shè)備處于維修—保養(yǎng)—點檢—改善的良性循環(huán)之中，最大化地降低設(shè)備維護成本、提升生產(chǎn)效率[1]。在長電公司TPM小組的工作的基礎(chǔ)上，針對自動電鍍線設(shè)備中行車扁平纜線失效的情況，設(shè)計了一種基于STC89C52單片機的數(shù)字量采集通訊系統(tǒng)，采用串行通訊傳遞控制柜和行車間的數(shù)據(jù)交換，節(jié)約了設(shè)備維護成本，提高了設(shè)備的可維護性。達成了預(yù)測性維護改善的目標(biāo)。

2 TPM模式設(shè)備維護

半導(dǎo)體制造包含在器件引腳上電鍍錫層的工序。懸掛式自動電鍍線設(shè)備常用于在電鍍工序完成鍍錫工藝。設(shè)備維護部門為提升企業(yè)的設(shè)備管理水平，提高設(shè)備的利用效率，引入TPM設(shè)備管理體系。成立TPM小組，建立故障及維修數(shù)據(jù)分析找出故障重復(fù)次數(shù)多、時隔時間短、維修工作量大、對生產(chǎn)影響大的單元和部件，把它們作為維修保養(yǎng)的重點對象，給出改進方案，并對其進行改善型維修[2]。

3 設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析

自動電鍍線設(shè)備有行車兩部，控制站和行車間由24芯扁平電纜實現(xiàn)電氣連接，如圖1所示。所有的連接都采用并行方式，每個輸入輸出都要占用一條線路，并且強弱電能流在一條電纜中傳輸也是一種不規(guī)范的設(shè)計。

圖1 設(shè)備連接示意圖

由圖2表單分析，很多故障都和扁平電纜有關(guān)（扁帶線不良、行車無動作、變頻器經(jīng)常報警等等）。這是因為扁平電纜有一定的機械壽命，運行時電纜反復(fù)彎曲和拉伸，容易造成電纜線內(nèi)部斷裂失效。電鍍線設(shè)備運行1年以上就會發(fā)生此類故障，一旦備份線路資源修理消耗完畢，常用以下處理方式：

（1）緊急修理時外部重新放單芯線處理，此法雖省時、成本低，但易造成線路凌亂，不符合5S要求，留下故障隱患；

（2）設(shè)備保養(yǎng)時將整條扁平電纜更換，費工又費時，而且造成不小的浪費（90%的線路完好卻不得不報廢），硬件資源開銷大。因此，TPM小組提出一種降低扁平電纜失效對設(shè)備運行影響的改善項目，使用串行通訊模塊將設(shè)備信號由并行改為串行。

圖2 設(shè)備異常數(shù)據(jù)分析

4 通訊模塊的設(shè)計

串口是計算機上一種通用設(shè)備通信的電路接口，其示意圖如圖3，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，無論你要發(fā)送的數(shù)據(jù)是8位、16位或者更多，對于硬件都不會有額外的要求，盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信[3]。

常用的串口通訊有RS-232、RS-422、20mA環(huán)流等等。RS-232使用非平衡參考地的信號；RS-422使用差分信號；RS-485（EIA-485標(biāo)準(zhǔn)）就是RS-422的改進；RS-485可以看做是RS232協(xié)議的替代標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的RS-232相比，其在通訊速率（最大10Mbit/s）、傳輸距離(最大1000米)、多機連接等方面，均有了非常大的提高，它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離[4]。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優(yōu)點，已經(jīng)足以滿足多數(shù)工業(yè)通訊的需要，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用。

RS485采用平衡驅(qū)動和差分接受的方法，相當(dāng)于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一個信號時，其中一個驅(qū)動器的輸出永遠是另一個驅(qū)動器的反相信號，兩條線上傳輸?shù)男盘栯娖剑?dāng)一個表示邏輯"1"時，另一個一定為邏輯"0"，當(dāng)干擾信號作為共模信號出現(xiàn)時，接受器差分輸入電壓，只要接收器有足夠的抗共模電壓工作范圍，就能識別兩個信號并正確接收傳輸?shù)男畔?。因此RS-485能在長距離、高速率下傳輸

圖3 串口通信示意圖

數(shù)據(jù)。接口電路如圖4。

圖4 RS-485通信示意圖

4.1 通訊模塊硬件設(shè)計

自動電鍍線的通訊系統(tǒng)主要由控制柜的信號發(fā)送接收器與行車信號發(fā)送接收器兩部分組成，兩部分均由微控制器單元、數(shù)字量采集電路、數(shù)字量輸出電路、串行口通訊電路組成。

設(shè)計中采用了高速51內(nèi)核MCU，具體型號為STC89C52，8051 架構(gòu)，最高外部時鐘 40MHz，雙倍速可達80MHz，片內(nèi)8KB閃存，可通過串口實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程[5-6]。與8051系列端口兼容，四路雙向，8位I/O端口，三個16位定時器，512字節(jié)暫存RAM。支持電源管理模式，可編程時鐘分頻器，實現(xiàn)硬件和軟件自動退出，降低功耗。

設(shè)計所用外設(shè)的特性為：全雙工串口、可編程看門狗定時器、8個中斷源、四級中斷優(yōu)先級。豐富的內(nèi)部資源使得無需過多的擴展即可滿足實際應(yīng)用的需要。89C52的串行口輸入輸出均為TTL電平，這種以TTL電平傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾性差，傳輸距離短，只限于板卡內(nèi)部使用，為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，實際應(yīng)用中采用的是標(biāo)準(zhǔn)串行接口RS-485。

圖5為原理圖和PCB設(shè)計。

圖5 通訊模塊電路原理圖及PCB設(shè)計

系統(tǒng)工作電壓為DC 5V，而PLC回路的工作電壓為DC 24V，采用光耦在兩種電源之間實現(xiàn)信號的輸入。而信號的輸出則采用ULN2803NPN達林頓功率集成電路，輸入兼容5V TTL、CMOS電平，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，輸出最大可500mA，可驅(qū)動信號燈、繼電器等小型負(fù)載。

4.2 通訊模塊軟件設(shè)計

在通訊模塊的設(shè)計中，涉及的軟件包括串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)校驗；看門狗防跑飛；保護等。軟件主流程如圖7所示。由于模塊主要功能為數(shù)據(jù)通訊，采用輪詢即可，控制站從行車獲得的數(shù)據(jù)確認(rèn)經(jīng)校驗無誤后刷新數(shù)據(jù)寄存器，傳送給PLC調(diào)用。

軟件流程確立之后，就進入開發(fā)階段。選用MCS-51軟件開發(fā)工具KEIL uVision2。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。主要任務(wù)是建立工程、對工程進行詳細的設(shè)置，生成C源代碼，調(diào)試編譯，最后將源程序變?yōu)槟繕?biāo)代碼，寫入MCU的EEPROM[7-8]。

5 結(jié)束語

自動電鍍線行車通訊模塊的開發(fā)是應(yīng)用TPM理念改善設(shè)備諸多案例中一個代表。其解決了困擾自動電鍍線維護的一個主要異常，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，增強了維護性，降低了設(shè)備維護的成本，同時提升了5S品質(zhì)。微處理器的應(yīng)用和電子CAD的開發(fā)提高了公司設(shè)備隊伍的技術(shù)水平，為今后的設(shè)備改造提供了一個有力的技術(shù)手段。

[1] 朱少軍.TPM推進解決方案[M].廣東經(jīng)濟出版社,2011.Zhu Shaojun.TPM Propulsion Solution [M].Guangdong Economics Press,2011.

[2]JIPM-S（日）.TPM推進法[M].東方出版社,2013.JIPM-S (Jap.).TPM Propulsion Method [M].Oriental Publishinghouse,2013.

[3] 王敏.單片機原理及接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2013.Wang Min.Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer[M].Tsinghua University Press,2013.

[4] 夏術(shù)泉.通訊電子線路[M].北京理工大學(xué)出版社，2010.Xia yuquan.Communication Electronic Circuit[M].Beijing Instituteof Technology Press,2010.

[5]劉巖川.MCS-51系列單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計 [M].電子工業(yè)出版社，2014.Liu Yanchuan.Principle and System Design of McS-51 Series Single-chip Microcomputer[M].Electronic Industry Press,2014.

[6] 丁向榮.STC系列增強型8051單片機原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2011.Dingxian.STCSeries Enhanced 8051 Single Chip Microcontroller Principle and Application [M].Electronic Industry Press,2011.

[7] 徐愛鈞.Keil C51單片機高級語言應(yīng)用編程[M].電子工業(yè)出版社，2013.Xu Aijun.Keil C51 Single-chip Microcomputer Advanced Language Application Programming[M].Electronic Industry Press,2013.

[8]夏江華.Protel DXP電路設(shè)計與制板 [M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.Xiajianghua.Design and Manufactureof Protel DXPCircuit[M].Beijing University of Aeronauticsand Astronautics Press,2012.

Design of Serial Communication Module for Improvement of the Plating Equipment

Shi Wei
(Equipment Department,JiangSu ChangJiang Elec.Tech.,Jiangyin 214400,China)

A communication module based on MCS51 SCM for the digital switching was introduced.For the failure of the equipment caused by the mechanical durability of the flat ribbon cable on the equipment,it was applied in the corrective project to eliminate the negative influence for the cable failure by changing the signal transfer mode.The design was realized for communication between the control station and the bridge crane of the semiconductor plating equipment through programming STC89C52 serial port.The communication interface solution is RS-485 full duplex operation that provides reliable and flexible connectivity services on the industrial field.The project was implemented as the corrective maintenance under the guidance of Total Productive Maintenance(TPM).The TPM group establish the improvement direction through the statistics of all kinds of the failure and the analysis of the equipment conditions.Implementation of the project saves a lot of the cable resource of the electroplating automatic production line，more importantly the performance of the improvement project has proved to be a successful operation in terms of decreasing the trouble rate and improvement of the machine's operating efficiency and reliability with TPM method.Points out the direction of further TPM work in the future.

SCM；Communication；RS485；TPM

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.021

A

1002-2279-（2017）06-0090-03

石?。?978－），男，江蘇省江陰人，設(shè)備工程師，主研方向：電氣自動化控制與設(shè)備管理。

2017-11-30