1　引言

 

　　目前環(huán)境試驗設備已經(jīng)廣泛應用于民用、工業(yè)、以及國防等各個行業(yè),環(huán)境試驗設備的種類也在不斷增加,如溫度沖擊試驗箱、干燥箱及生化箱、高低氣壓試驗箱等等。這些設備主要作用是為某些產(chǎn)品做特定的環(huán)境試驗,以達到檢測和鑒定的目的。當前大部分試驗設備的控制系統(tǒng)都由性能穩(wěn)定、可靠性高的PLC來實現(xiàn),同時配置微型打印機,用于記錄和打印試驗過程中的溫度、濕度、壓力等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在一些大中型試驗設備已經(jīng)配備了彩色觸摸屏系統(tǒng),用來設置試驗參數(shù)、顯示運行狀況等,但是其試驗數(shù)據(jù)輸出的方式主要采用RS232或者RS485標準通信接口加微型打印機的方式[1]。

 

　　微型打印機內(nèi)部機械活動部件較多,可靠性較差,容易出現(xiàn)機械故障,使用過程中還需要定期更換記錄紙,長期運行費用較高,而且打印的數(shù)據(jù)不利于輸入計算機進行分析,也不利于長期保存;采用RS232或RS485通信方式輸出數(shù)據(jù)不適應遠距離、大信息量的數(shù)據(jù)傳輸,也不便于現(xiàn)場設備的組網(wǎng)。因此筆者設計了一種具有通用性和網(wǎng)絡互聯(lián)功能的低成本無紙記錄儀。該記錄儀采用工業(yè)級嵌入式處理器AT91RM9200作為CPU,NAND FLASH保存試驗數(shù)據(jù),可通過USB接口將數(shù)據(jù)導出到USB存儲器,也可以用10/100M以太網(wǎng)口將車間所有試驗設備組網(wǎng),通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳試驗數(shù)據(jù),實現(xiàn)集中監(jiān)控。

 

　　2　系統(tǒng)工作原理

 

　　USB具有高速度、熱插拔、易擴展、占用系統(tǒng)資源少等優(yōu)點,廣泛應用在PC外設和便攜式系統(tǒng)中。無紙記錄儀采用USB存儲器導出試驗數(shù)據(jù)來取代微型打印機,可以降低設備運行成本,便于數(shù)據(jù)保存和采用相關軟件進行分析。

 

　　當車間有多臺試驗設備時,為了有效的對這些設備進行集中管理,就需要將這些設備通過組網(wǎng)的方式進行連接。隨著以太網(wǎng)的快速普及,工業(yè)以太網(wǎng)也已成為現(xiàn)場總線中的主流技術[2]。通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡連接,可以解決RS232、RS485串口終端在傳輸距離和可靠性方面的局限性。記錄儀可以實現(xiàn)串口通信協(xié)議到TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的透明轉換,把現(xiàn)有的RS232接口的數(shù)據(jù)轉化成IP端口的數(shù)據(jù),然后進行IP化的管理, IP化的數(shù)據(jù)存取。這樣就能將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)來傳輸,而無需過早淘汰原有的設備,從而提高了現(xiàn)有設備的利用率,節(jié)約了投資,還可在既有的網(wǎng)絡基礎上簡化布線復雜度。

 

　　而在監(jiān)控主機端,通過開發(fā)相應的驅(qū)動程序后,可以將封裝到TCP/IP數(shù)據(jù)包里的串口數(shù)據(jù)取出,然后發(fā)送到監(jiān)控主機上的一個虛擬串口。這樣就實現(xiàn)了這個虛擬串口與對應記錄儀連接的PLC串口的遠程映射,用戶可以直接編寫串口程序即可讀取遠端PLC數(shù)據(jù),也可以直接使用原來的串口應用程序。采用這種方案既簡化了用戶編程,又便于系統(tǒng)升級和改造。系統(tǒng)結構如圖1所示。

 

　　

 

　　3　硬件設計

 

　　大部分試驗設備箱內(nèi)都有大電流繼電器的存在,它們的接通和斷開都會產(chǎn)生很強的電磁干擾。無紙記錄儀要能夠在試驗設備箱內(nèi)長期穩(wěn)定運行,就要選擇集成度高、穩(wěn)定性好的工業(yè)級處理器,同時采用各種抗干擾措施來保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。本文設計選擇ATMEL公司基于ARM核的32位嵌入式工業(yè)級RISC處理器AT91RM9200作為無紙記錄儀的處理器。

 

　　AT91RM9200是ATMEL公司基于ARM920T內(nèi)核的微型控制器,它是基于ARM/Thumb指令集的完整的片上系統(tǒng),工作在180MHz頻率下的運算速度可高于200MIPS。具有豐富的硬件接口和軟件接口。同時它是工業(yè)級的產(chǎn)品,溫度特性優(yōu)良,穩(wěn)定性好,非常適合應用于工業(yè)現(xiàn)場控制場所[3, 4]。無紙記錄儀的硬件結構框圖如圖2所示,主要由AT91RM9200、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、RS232串口、USB2·0接口、10/100M自適應網(wǎng)絡接口、電源等模塊組成.

 

　　

 

　　3·1　存儲系統(tǒng)

 

　　試驗設備箱無紙記錄儀的存儲系統(tǒng)由SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH存儲器組成。32M字節(jié)的SDRAM用來提供Linux操作系統(tǒng)和應用程序運行所需要的存儲空間; 4M字節(jié)的NOR FLASH用來存儲系統(tǒng)啟動代碼Bootloader、Linux內(nèi)核和應用程序代碼; 64M字節(jié)的NANDFLASH則用來存儲PLC輸出的試驗數(shù)據(jù)。

 

　　AT91RM9200在片內(nèi)具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯,可方便地與SDRAM接口。SDRAM由兩片16位數(shù)據(jù)寬度的HY57V281620并聯(lián)為32位數(shù)據(jù)寬度的32MB SDRAM存儲系統(tǒng),映射到AT91RM9200的NCS1,地址范圍是: 0x20000000–0x21FFFFFF。

 

　　NOR FLASH采用SST公司的SST39VF320芯片,該芯片容量為2M×16位,共4M字節(jié),訪問速度70ns,映射到AT91RM9200的NCS0,地址范圍是:0x10000000-0x103FFFFF。

 

　　NAND FLASH采用三星公司的K9F1208,該芯片容量為64M字節(jié),映射到AT91RM9200的NCS3,地址范圍是:0x40000000-0x43FFFFFF。

 

　　3·2　USB2·0接口設計

 

　　AT91RM9200自帶一個USB2·0全速主機口,用它來將保存在NAND FLASH中的試驗數(shù)據(jù)轉存到U盤中去。無紙記錄儀安裝在實驗設備箱內(nèi),通過一根USB屏蔽延長線連接到試驗設備箱的前面板上。由于實驗箱內(nèi)存在嚴重的電磁干擾,會對U盤的讀寫產(chǎn)生影響,因此要在普通的全速USB2·0主機口設計上增加了抗干擾電路,電路圖如圖3所示。在圖中, L1、L2是muRata公司的片狀鐵氧體磁珠BLM21PG221SN1,用于高頻噪音的抑制。L3是muRata公司的片狀共模扼流線圈DLW21SN121SQ2。共模扼流線圈由兩根導線同方向繞在磁芯材料上,當共模電流通過時,共模抗流器會因磁通量疊加而產(chǎn)生高阻抗;當差模電流通過時,共?？沽髌饕虼磐炕ハ嗟窒a(chǎn)生較小阻抗。因此適用于高速差分信號線的共模噪聲抑制。D1、D2為靜電釋放抑制器。

 

　　

 

　　

 

3·3　以太網(wǎng)接口設計

 

　　AT91RM9200芯片集成了以太網(wǎng)MAC控制器,但是沒有提供物理層接口,因此需要外接一個DM9161物理層芯片來提供接入以太網(wǎng)的通道。在DM9161和RJ45接口間采用網(wǎng)絡隔離變壓器來實現(xiàn)信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等功能。DM9161的RX+/RX-、TX+/TX-接到網(wǎng)絡隔離變壓器上,再由變壓器引出相應信號連接到RJ45接口上,網(wǎng)絡模塊連接方式如圖3所示。

 

　　

 

         3·4　電源設計

 

　　電源的設計包括電源保護電路、電源濾波器、和電平轉換電路。主板電源包括+5V、+3·3 V和+1·8V。通過開關型集成穩(wěn)壓芯片LM2576可以將試驗設備箱內(nèi)+24V直流電源轉換成+5V,然后再使用LM1117-3·3和LM1117-1·8這兩款LDO芯片,將+5V轉換成為+3·3V和+1·8V直流電源。圖4是電源保護和電源濾波電路的電路圖。F1是自恢復保險絲,作過流保護;D1用來防止電源接反; C1、C2是差模濾波電容;C3、C4是共模濾波電容;L1是共模扼流線圈,主要用來濾除電源線上通過傳導或者輻射的方式產(chǎn)生的共模電流。

 

　　

 

　　4　軟件設計

 

　　要實現(xiàn)無紙記錄儀所具備的功能需要同時運行多個任務,如串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、保存試驗數(shù)據(jù)到U盤、網(wǎng)絡通信等等,這就要對多任務進行合理的調(diào)度;另外無紙記錄儀需要保存的數(shù)據(jù)較多,尤其是長時間試驗需要保存的數(shù)據(jù),采用表或數(shù)組是不夠的,因此文件管理也是必不可少的一項功能。本文選擇功能和可靠性都很成熟的Linux-2·4·26內(nèi)核版本以及針對91RM9200體系結構的補丁。給標準內(nèi)核源代碼打上補丁后,該內(nèi)核就可應用于AT91RM9200了,這就大大節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)時間。剩下的主要移植工作就是根據(jù)無紙記錄儀的硬件功能編寫或者修改相應的驅(qū)動程序,并根據(jù)需要重新剪裁內(nèi)核模塊,此處不再贅述。

 

　　記錄儀的軟件開發(fā)重點主要是應用程序的開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)功能的需要以及數(shù)據(jù)處理的流程,應用程序設計了兩種運行模式:設置模式和工作模式。只要將模式選擇開關撥向相應的一側,就可以選擇對應的運行模式。

 

　　4·1　設置模式

 

　　設置模式主要功能是通過串口設置記錄儀工作模式下的一些工作參數(shù),如:工作模式下串口工作參數(shù)、記錄儀的IP地址、子網(wǎng)掩碼、TCP工作端口、以及監(jiān)控計算機的IP地址、TCP端口等。

 

　　4·2　工作模式

 

　　工作模式下應用程序按照設置模式下設置的工作參數(shù)初始化串口、網(wǎng)口和USB接口,然后收發(fā)各個接口的數(shù)據(jù),并完成相互之間的數(shù)據(jù)轉換,同時利用指示燈和蜂鳴器提示用戶操作。因此在工作模式下應用程序主要由網(wǎng)絡通信程序、串口數(shù)據(jù)處理程序和USB存儲器識別及讀寫程序這三大部分組成。

 

　　(1)網(wǎng)絡通信程序:每一個記錄儀需要在設置模式下設定局域網(wǎng)內(nèi)一個唯一的IP地址,然后采用TCP協(xié)議與監(jiān)控計算機進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。記錄儀作為TCP連接的服務器端,而監(jiān)控主機作為TCP連接的客戶端。當安裝了虛擬串口驅(qū)動程序的監(jiān)控計算機啟動后,會根據(jù)綁定到虛擬串口的網(wǎng)絡參數(shù)向?qū)挠涗泝x發(fā)起TCP連接請求。記錄儀一直監(jiān)聽它的TCP工作端口,收到監(jiān)控主機的連接請求后會做出回應并與監(jiān)控計算機建立TCP連接。建立連接后,記錄儀將每次接收到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)解析出來,然后發(fā)送到串口數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū),串口驅(qū)動程序會自動將數(shù)據(jù)發(fā)送。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理流程見圖5。

 

　　

 

　　(2)串口數(shù)據(jù)處理程序:記錄儀接收到PLC發(fā)出的串口數(shù)據(jù)后,按照一定格式寫入到記錄儀NANDFLASH存儲器中的數(shù)據(jù)保存文件,該數(shù)據(jù)文件可以通過USB接口導出到U盤中。如果記錄儀已經(jīng)與監(jiān)控計算機建立了TCP連接,則將接收到的串口數(shù)據(jù)打包,加入TCP頭和IP頭,并由以太網(wǎng)接口模塊送出。這樣就實現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的協(xié)議轉換。圖6是串口數(shù)據(jù)處理的流程圖。

 

　　(3)USB閃存的檢測、讀寫程序:AT91RM9200帶有一個USB2·0全速主機端口,能夠支持目前大多數(shù)的USB閃存。由于程序并不知道用戶什么時候會插入USB存儲器,所以USB閃存的檢測程序每隔0·2s就要檢測是否有USB閃存插入。在LINUX操作系統(tǒng)下,當檢測到有USB閃存插入后,程序調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)“mount”將USB閃存掛載到“/mnt/udisk/”目錄上,這樣就可以把保存在NAND FLASH中的數(shù)據(jù)文件拷貝到USB閃存。拷貝完成后,調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)“umount”卸載USB閃存,并通過指示燈提示用戶操作完成。

 

　　5　應用

 

　　目前,本文設計的無紙記錄儀已經(jīng)通過了重慶銀河試驗儀器有限公司6個月的不間斷重復實驗,成為銀河試驗儀器公司W(wǎng)G系列高溫試驗箱、HL系列低溫試驗箱以及WCD系列溫度沖擊試驗箱等試驗設備的標準配置之一。

 

　　6　結束語

 

　　本文介紹的無紙記錄儀采用USB存儲器保存試驗數(shù)據(jù)和利用工業(yè)以太網(wǎng)將串口設備組網(wǎng),充分發(fā)揮USB總線高速傳輸、熱插拔、即插即用等優(yōu)點,也解決了串口設備傳輸距離短、不便于組網(wǎng)的問題,不僅可以用來對已有的試驗設備進行功能擴充和升級,而且可以提升試驗設備產(chǎn)品競爭力。該方案具有存儲量大、組網(wǎng)簡單、可靠性高等特點,對于實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存的無紙化和串口設備的網(wǎng)絡互聯(lián)具有一定的參考價值。