摘要:提出了一種采用USB存儲器保存試驗數(shù)據(jù),可以通過以太網(wǎng)口將現(xiàn)場試驗設(shè)備組網(wǎng)的基于AT91RM9200芯片的嵌入式試驗設(shè)備無紙記錄儀,并詳細介紹了該記錄儀的工作原理、硬件電路及其抗干擾措施和軟件設(shè)計。
1 引言
目前環(huán)境試驗設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、以及國防等各個行業(yè),環(huán)境試驗設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備已經(jīng)配備了彩色觸摸屏系統(tǒng),用來設(shè)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(yīng)遠距離、大信息量的數(shù)據(jù)傳輸,也不便于現(xiàn)場設(shè)備的組網(wǎng)。因此筆者設(shè)計了一種具有通用性和網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(shè)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(yīng)用在PC外設(shè)和便攜式系統(tǒng)中。無紙記錄儀采用USB存儲器導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)來取代微型打印機,可以降低設(shè)備運行成本,便于數(shù)據(jù)保存和采用相關(guān)軟件進行分析。
當車間有多臺試驗設(shè)備時,為了有效的對這些設(shè)備進行集中管理,就需要將這些設(shè)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(shù)[2]。通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)議的透明轉(zhuǎn)換,把現(xiàn)有的RS232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)備,從而提高了現(xiàn)有設(shè)備的利用率,節(jié)約了投資,還可在既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡化布線復(fù)雜度。
而在監(jiān)控主機端,通過開發(fā)相應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 硬件設(shè)計
大部分試驗設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制場所[3, 4]。無紙記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口、電源等模塊組成.
3·1 存儲系統(tǒng)
試驗設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)存到U盤中去。無紙記錄儀安裝在實驗設(shè)備箱內(nèi),通過一根USB屏蔽延長線連接到試驗設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(luò)隔離變壓器來實現(xiàn)信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、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(luò)隔離變壓器上,再由變壓器引出相應(yīng)信號連接到RJ45接口上,網(wǎng)絡(luò)模塊連接方式如圖3所示。
3·4 電源設(shè)計
電源的設(shè)計包括電源保護電路、電源濾波器、和電平轉(zhuǎn)換電路。主板電源包括+5V、+3·3 V和+1·8V。通過開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2576可以將試驗設(shè)備箱內(nèi)+24V直流電源轉(zhuǎn)換成+5V,然后再使用LM1117-3·3和LM1117-1·8這兩款LDO芯片,將+5V轉(zhuǎn)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(fù)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(dǎo)或者輻射的方式產(chǎn)生的共模電流。
4 軟件設(shè)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(wù),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(luò)通信等等,這就要對多任務(wù)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(jié)構(gòu)的補丁。給標準內(nèi)核源代碼打上補丁后,該內(nèi)核就可應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序設(shè)計了兩種運行模式:設(shè)置模式和工作模式。只要將模式選擇開關(guān)撥向相應(yīng)的一側(cè),就可以選擇對應(yīng)的運行模式。
4·1 設(shè)置模式
設(shè)置模式主要功能是通過串口設(shè)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(yīng)用程序按照設(shè)置模式下設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用程序主要由網(wǎng)絡(luò)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(luò)通信程序:每一個記錄儀需要在設(shè)置模式下設(shè)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(luò)數(shù)據(jù)傳輸。記錄儀作為TCP連接的服務(wù)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(luò)參數(shù)向?qū)?yīng)的記錄儀發(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(yīng)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(luò)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(luò)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(dǎo)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(luò)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)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?？截愅瓿珊?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(yīng)用
目前,本文設(shè)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(fù)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(shè)備的標準配置之一。
6 結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)備進行功能擴充和升級,而且可以提升試驗設(shè)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(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)具有一定的參考價值。