基于MCS51串口通讯在半导体电镀设备改善中的应用
2018-01-04石巍
石 巍
基于MCS51串口通讯在半导体电镀设备改善中的应用
石 巍
（江苏长电科技股份有限公司集成电路中心设备科,江阴 214400）
主要介绍了基于MCS51单片机为核心的开关量数据通讯模块，针对扁平电缆机械使用寿命所导致设备之故障，通过对单片机STC89C52的串口编程实现在半导体电镀设备的控制站与行车间的数据通讯，信号传输模式的改变减轻了线缆失效带来的不良影响。方案采用RS485全双工工作协议，稳定可靠，适合工业现场应用。此项目也是基于TPM设备管理理念的改善性维修项目，是由TPM团队对设备各失效现象统计和分析后，可节约电镀生产线上的线缆资源，提升设备的稳定性和生产效率，为今后TPM工作的推广指明了方向。
单片机；串口；通讯；TPM体系
1 引 言
TPM（Total Productive Maintenance），即全员生产维护，又译为全员生产保全，是自上世纪七十年代在日本兴起，并推行于全世界工业界的一种现代设备管理维修制度。强调全员参与“生产维修”，通过自主维修、个别改善等使得设备处于维修—保养—点检—改善的良性循环之中，最大化地降低设备维护成本、提升生产效率[1]。在长电公司TPM小组的工作的基础上，针对自动电镀线设备中行车扁平缆线失效的情况，设计了一种基于STC89C52单片机的数字量采集通讯系统，采用串行通讯传递控制柜和行车间的数据交换，节约了设备维护成本，提高了设备的可维护性。达成了预测性维护改善的目标。
2 TPM模式设备维护
半导体制造包含在器件引脚上电镀锡层的工序。悬挂式自动电镀线设备常用于在电镀工序完成镀锡工艺。设备维护部门为提升企业的设备管理水平，提高设备的利用效率，引入TPM设备管理体系。成立TPM小组，建立故障及维修数据分析找出故障重复次数多、时隔时间短、维修工作量大、对生产影响大的单元和部件，把它们作为维修保养的重点对象，给出改进方案，并对其进行改善型维修[2]。
3 设备故障数据分析
自动电镀线设备有行车两部，控制站和行车间由24芯扁平电缆实现电气连接，如图1所示。所有的连接都采用并行方式，每个输入输出都要占用一条线路，并且强弱电能流在一条电缆中传输也是一种不规范的设计。
图1 设备连接示意图
由图2表单分析，很多故障都和扁平电缆有关（扁带线不良、行车无动作、变频器经常报警等等）。这是因为扁平电缆有一定的机械寿命，运行时电缆反复弯曲和拉伸，容易造成电缆线内部断裂失效。电镀线设备运行1年以上就会发生此类故障，一旦备份线路资源修理消耗完毕，常用以下处理方式：
（1）紧急修理时外部重新放单芯线处理，此法虽省时、成本低，但易造成线路凌乱，不符合5S要求，留下故障隐患；
（2）设备保养时将整条扁平电缆更换，费工又费时，而且造成不小的浪费（90%的线路完好却不得不报废），硬件资源开销大。因此，TPM小组提出一种降低扁平电缆失效对设备运行影响的改善项目，使用串行通讯模块将设备信号由并行改为串行。
图2 设备异常数据分析
4 通讯模块的设计
串口是计算机上一种通用设备通信的电路接口，其示意图如图3，串口按位（bit）发送和接收字节，无论你要发送的数据是8位、16位或者更多，对于硬件都不会有额外的要求，尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，结构简单并且能够实现远距离通信[3]。
常用的串口通讯有RS-232、RS-422、20mA环流等等。RS-232使用非平衡参考地的信号；RS-422使用差分信号；RS-485（EIA-485标准）就是RS-422的改进；RS-485可以看做是RS232协议的替代标准，与传统的RS-232相比，其在通讯速率（最大10Mbit/s）、传输距离(最大1000米)、多机连接等方面，均有了非常大的提高，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离[4]。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点，已经足以满足多数工业通讯的需要，因此得到了十分广泛的应用。
RS485采用平衡驱动和差分接受的方法，相当于两个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号，两条线上传输的信号电平，当一个表示逻辑"1"时，另一个一定为逻辑"0"，当干扰信号作为共模信号出现时，接受器差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能识别两个信号并正确接收传输的信息。因此RS-485能在长距离、高速率下传输
图3 串口通信示意图
数据。接口电路如图4。
图4 RS-485通信示意图
4.1 通讯模块硬件设计
自动电镀线的通讯系统主要由控制柜的信号发送接收器与行车信号发送接收器两部分组成，两部分均由微控制器单元、数字量采集电路、数字量输出电路、串行口通讯电路组成。
设计中采用了高速51内核MCU，具体型号为STC89C52，8051 架构，最高外部时钟 40MHz，双倍速可达80MHz，片内8KB闪存，可通过串口实现在线系统编程[5-6]。与8051系列端口兼容，四路双向，8位I/O端口，三个16位定时器，512字节暂存RAM。支持电源管理模式，可编程时钟分频器，实现硬件和软件自动退出，降低功耗。
设计所用外设的特性为：全双工串口、可编程看门狗定时器、8个中断源、四级中断优先级。丰富的内部资源使得无需过多的扩展即可满足实际应用的需要。89C52的串行口输入输出均为TTL电平，这种以TTL电平传输数据的方式，抗干扰性差，传输距离短，只限于板卡内部使用，为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，实际应用中采用的是标准串行接口RS-485。
图5为原理图和PCB设计。
图5 通讯模块电路原理图及PCB设计
系统工作电压为DC 5V，而PLC回路的工作电压为DC 24V，采用光耦在两种电源之间实现信号的输入。而信号的输出则采用ULN2803NPN达林顿功率集成电路，输入兼容5V TTL、CMOS电平，特别适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流/电压要求之间的接口，输出最大可500mA，可驱动信号灯、继电器等小型负载。
4.2 通讯模块软件设计
在通讯模块的设计中，涉及的软件包括串行接收、发送数据；数据校验；看门狗防跑飞；保护等。软件主流程如图7所示。由于模块主要功能为数据通讯，采用轮询即可，控制站从行车获得的数据确认经校验无误后刷新数据寄存器，传送给PLC调用。
软件流程确立之后，就进入开发阶段。选用MCS-51软件开发工具KEIL uVision2。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。主要任务是建立工程、对工程进行详细的设置，生成C源代码，调试编译，最后将源程序变为目标代码，写入MCU的EEPROM[7-8]。
5 结束语
自动电镀线行车通讯模块的开发是应用TPM理念改善设备诸多案例中一个代表。其解决了困扰自动电镀线维护的一个主要异常，提高了设备的生产效率，增强了维护性，降低了设备维护的成本，同时提升了5S品质。微处理器的应用和电子CAD的开发提高了公司设备队伍的技术水平，为今后的设备改造提供了一个有力的技术手段。
[1] 朱少军.TPM推进解决方案[M].广东经济出版社,2011.Zhu Shaojun.TPM Propulsion Solution [M].Guangdong Economics Press,2011.
[2]JIPM-S（日）.TPM推进法[M].东方出版社,2013.JIPM-S (Jap.).TPM Propulsion Method [M].Oriental Publishinghouse,2013.
[3] 王敏.单片机原理及接口技术[M].清华大学出版社,2013.Wang Min.Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer[M].Tsinghua University Press,2013.
[4] 夏术泉.通讯电子线路[M].北京理工大学出版社，2010.Xia yuquan.Communication Electronic Circuit[M].Beijing Instituteof Technology Press,2010.
[5]刘岩川.MCS-51系列单片机原理及系统设计 [M].电子工业出版社，2014.Liu Yanchuan.Principle and System Design of McS-51 Series Single-chip Microcomputer[M].Electronic Industry Press,2014.
[6] 丁向荣.STC系列增强型8051单片机原理与应用[M].电子工业出版社，2011.Dingxian.STCSeries Enhanced 8051 Single Chip Microcontroller Principle and Application [M].Electronic Industry Press,2011.
[7] 徐爱钧.Keil C51单片机高级语言应用编程[M].电子工业出版社，2013.Xu Aijun.Keil C51 Single-chip Microcomputer Advanced Language Application Programming[M].Electronic Industry Press,2013.
[8]夏江华.Protel DXP电路设计与制板 [M].北京航空航天大学出版社，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
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
石巍（1978－），男，江苏省江阴人，设备工程师，主研方向：电气自动化控制与设备管理。
2017-11-30
