??? 摘? 要: 針對離散生產(chǎn)線的特點及監(jiān)控系統(tǒng)的要求,研制了一種適用于該生產(chǎn)線的集中監(jiān)控系統(tǒng)。重點介紹了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件電路及其軟件實現(xiàn),實際應(yīng)用效果較好。?
??? 關(guān)鍵詞: 遠程數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集? 單片機? 無線傳輸
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??? 離散生產(chǎn)線是指由離散工藝過程組成的生產(chǎn)線。它所生產(chǎn)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由零部件組成,生產(chǎn)過程中的主要任務(wù)就是將原材料加工成零件,再由零件組裝成部件,最后總裝成產(chǎn)品。為了提高離散生產(chǎn)線的生產(chǎn)和管理水平,對生產(chǎn)線上的重要參數(shù)和加工設(shè)備本身的運行狀況等進行監(jiān)控十分重要。目前,主要采用人工實時監(jiān)視。即由人記錄生產(chǎn)線上每臺設(shè)備運行狀況,由人工抽樣檢查產(chǎn)品質(zhì)量;然后以這些數(shù)據(jù)為依據(jù),對設(shè)備進行管理和維護。但這種方式觀測精度低、工作強度大、數(shù)據(jù)的維護和分析困難,遠不能滿足目前市場激烈競爭的需要。為此,筆者直接利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠程監(jiān)控,形成全球化制造的企業(yè)。?
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)?
??? 設(shè)備遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用了瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)是這一系統(tǒng)的起點,主要完成對設(shè)備的實時監(jiān)測和對監(jiān)測信息的采集、存儲和處理。監(jiān)測信息經(jīng)過處理后可進行遠距離網(wǎng)絡(luò)傳輸。遠程監(jiān)測中心對異地傳輸?shù)谋O(jiān)測信息進行處理、分析,綜合各專家意見,得出結(jié)果并給出對策,通過網(wǎng)絡(luò)反饋至現(xiàn)場進行控制。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案中,利用企業(yè)級的交換機將各個生產(chǎn)車間的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)子網(wǎng)連接起來,然后通過路由器連接到Internet,保證了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性。?
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??? 現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和PC機。主要對加工設(shè)備進行各種信號的采集、變換、顯示和與網(wǎng)絡(luò)連接等功能。現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的信號分析和處理能力,而且可以擴充傳感器測量單元,對加工設(shè)備進行多個傳感器的多點" title="多點">多點、多信號采集和分析。其中,數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括:數(shù)據(jù)采集單片機分機、主機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、PC接口。結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。采用點對多點的無線雙工工作方式。即當(dāng)主機發(fā)出指定點采集數(shù)據(jù)的命令后,主機即轉(zhuǎn)換接收狀態(tài);指定點的分機接收到命令后,進行數(shù)據(jù)采集,并將結(jié)果和分機的編號上傳給主機。?
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2 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計?
2.1 主機的電路原理圖?
??? 在電路設(shè)計過程中,為了增加存儲容量,增設(shè)了一個TMS29F040芯片。該芯片提供了8個獨立的64KB模塊,通過標(biāo)準(zhǔn)的微控制器將JEDEC標(biāo)準(zhǔn)命令寫入FLASH命令寄存器5555H和2AAAH,地址空間為000000H～07FFFFH。為了使人機接口方便直觀,電路中采用點陣圖形方式的LCD。該LCD內(nèi)置了T6963C控制器,可以與單片機方便接口。C/D是指令/數(shù)據(jù)選擇控制,指令訪問地址為0A00001H,數(shù)據(jù)訪問地址為0A00000H。另外,通過PS2000實現(xiàn)MCU應(yīng)用系統(tǒng)與基于PC機平臺的網(wǎng)關(guān)emGateway接口。同時,為便于主機與分機實現(xiàn)點對多點的信息傳輸" title="信息傳輸">信息傳輸,系統(tǒng)采用了硬件編碼的方式,使用UM3758編碼器。每個分機給定固定編碼,主機發(fā)射一個碼值,對應(yīng)碼值的分機實現(xiàn)信息傳輸。系統(tǒng)采用了無線發(fā)射與接收模塊nRF401,實現(xiàn)無線信息傳輸。主機的電路原理圖" title="電路原理圖">電路原理圖如圖3所示。?
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2.2 分機電路原理圖?
??? 為了采集現(xiàn)場信號,利用前向通道對其微弱信號調(diào)理(包括阻抗匹配、濾波、直流隔離、放大等功能)。該部件采用了2片AD620和1片TLC14集成電路,分別實現(xiàn)信號放大和濾波功能。然后,由ADμC812芯片的ALE腳進入系統(tǒng)。為了與主機進行信號通信,在分機中同樣也采用了硬件編碼方式。利用UM3758編碼器,每個分機給定固定編碼,主機發(fā)射一個碼值,對應(yīng)碼值的分機實現(xiàn)信息傳輸。同樣,系統(tǒng)采用了無線發(fā)射與接收模塊nRF401,實現(xiàn)了與主機無線信息傳輸,分機的電路原理圖如圖4所示。?
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3 采集系統(tǒng)中主機與從機信息傳輸軟件設(shè)計?
??? 在本系統(tǒng)中,主機可以隨時呼叫任一分機,發(fā)送命令;分機也可以隨時呼叫主機,向主機提出請求。分機之間不能直接通信,只能通過主機交換信息。主機呼叫分機時采用中斷方式,只需調(diào)用主呼分機的子程序；分機程序以中斷服務(wù)形式給出,其入口地址為串行口中斷入口地址0023H。這樣,當(dāng)分機接收到的地址與本機地址符合時進入中斷服務(wù)程序,從而實現(xiàn)與主機相連。分機呼叫主機時,只需向主機發(fā)送一約定的控制字,主機得到此控制字即回呼該分機,從而實現(xiàn)與該分機連接。?
3.1 主機發(fā)送分機接收通信方式?
??? 圖5(a)、(b)分別為主機發(fā)送、分機接收時主機與分機軟件流程圖。主機作為發(fā)送者,向作為接收者的分機發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種模式下,數(shù)據(jù)傳送方向不變,即主機先發(fā)送地址繼而發(fā)送數(shù)據(jù)。其中,主機軟件:(1)當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器設(shè)置完成后,主機發(fā)送一個START位和分機地址到SDATA線上。在這個模式下R/W狀態(tài)位被復(fù)位。如果主機沒有收到分機的確認(rèn),就發(fā)送一個STOP位,錯誤位被置位" title="置位">置位而傳送中止。(2)如果從機進行了確認(rèn),主機將發(fā)送預(yù)先寫在主機外部數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)。每傳送一字節(jié),分機都必須發(fā)出確認(rèn)。收到確認(rèn)后,主機將發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。任何時候如果分機沒能確認(rèn),主機就發(fā)送一個STOP位,錯誤位被置位而傳送中止。(3)當(dāng)發(fā)送計數(shù)BYTECNT=0時,就意味著最后一個要傳送的字節(jié)已被送出,主機將發(fā)送一個STOP位表示傳送結(jié)束。分機軟件:(1)當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后,并且主機也發(fā)送了一個START位,分機等待著接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)(數(shù)據(jù)到達后將產(chǎn)生一個中斷)。一旦收到后,分機將該數(shù)據(jù)與自己的地址相比較;若匹配,分機發(fā)送一個確認(rèn)到SDATA線上,并將R/W狀態(tài)位置位后等待數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)到達將產(chǎn)生一個中斷)。(2)當(dāng)主機發(fā)出一個數(shù)據(jù)字節(jié),分機將它存入自己的內(nèi)部存儲器,發(fā)送確認(rèn)后,等待下一個數(shù)據(jù)字節(jié)(后續(xù)數(shù)據(jù)的到達將產(chǎn)生一個中斷)。(3)當(dāng)分機收到最后一個字節(jié),接收字節(jié)計數(shù)BYTECNT=0,此時,分機等待STOP位。一旦收到STOP,立即結(jié)束通信。?
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3.2 分機發(fā)送、主機接收通信方式?
??? 圖6(a)、(b)分別為分機發(fā)送、主機接收時主機與分機軟件流程圖。主機發(fā)送第一個字節(jié)后立即讀分機數(shù)據(jù),即主機先發(fā)送地址后接收后面的三個數(shù)據(jù)字節(jié)。其中,主機軟件:(1)當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后,主機發(fā)送一個START位,然后發(fā)送分機地址到SDATA線上。在這個模式下R/W狀態(tài)位被復(fù)位。如果主機沒有收到分機的確認(rèn),就發(fā)送一個STOP位,錯誤位被置位而傳送中止。(2)如果從機進行了確認(rèn),主機等待第一個數(shù)據(jù)字節(jié)。一旦收到后,主機將它存入自己的內(nèi)部存儲器,向分機發(fā)出確認(rèn)后,等待下一個數(shù)據(jù)字節(jié)。(3)當(dāng)發(fā)送計數(shù)BYTECNT=0時,就意味著最后一個要傳送的字節(jié)已被接收,主機將發(fā)送一個STOP位表示傳送結(jié)束。分機軟件:(1)當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后,主機也發(fā)送一個START位,分機等待著接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)(數(shù)據(jù)到達后將產(chǎn)生一個中斷)。一旦收到后,分機將該數(shù)據(jù)與自己的地址相比較。若匹配,分機發(fā)送一個確認(rèn)到SDATA線上。(2)當(dāng)R/W狀態(tài)位置位,分機發(fā)送一個要傳送的字節(jié)。發(fā)出數(shù)據(jù)后,分機等待主機的確認(rèn)。每當(dāng)收到主機的確認(rèn),分機發(fā)送下一個數(shù)據(jù)然后再等待確認(rèn)。(3)當(dāng)發(fā)送字節(jié)計數(shù)BYTECNT=0,主機發(fā)送一個STOP位而不是確認(rèn),同時結(jié)束傳送。?
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4 實驗結(jié)果?
??? 利用上面建立的無線點對多點的遠程在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對重慶世耀工貿(mào)有限公司摩托車生產(chǎn)廠的精密車床進行振動監(jiān)測。在進行數(shù)據(jù)采集時,點擊桌面上無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),即可啟動程序。然后,點擊端口設(shè)置按扭,彈出端口設(shè)置對話框,選擇與PC主機無線傳收模塊相連接的RS232串口、波特率、工作距離、測量參數(shù)、存儲器的大小等參數(shù)后,點擊確定,回到主界面。點擊打開模塊按扭,若系統(tǒng)工作正常,則顯示模塊正在工作;若系統(tǒng)工作不正常,則顯示系統(tǒng)未工作;在系統(tǒng)正常工作情況下,點擊握手設(shè)置按鈕,設(shè)置與主機通信的分機臺號、采集頻率與通道數(shù)等(每設(shè)置完一臺分機參數(shù)后,就點擊握手);在各臺分機與主機之間握手成功后,點擊啟動按鈕,程序發(fā)送啟動命令,開始進行數(shù)據(jù)采集。在無線傳輸完后,系統(tǒng)將自動保存數(shù)據(jù)文件。可通過點擊打開顯示按鈕,將已保存的數(shù)據(jù)按圖形方式顯示于圖形框中。圖7所示為某精密車床的振動檢測的時域信號與系統(tǒng)操作界面圖。?
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??? 隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,自動化儀表的進步,現(xiàn)代檢測技術(shù)越來越多地應(yīng)用于傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)中。該系統(tǒng)實現(xiàn)了無線點對多點數(shù)據(jù)采集與信息傳輸,采集精度高,數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強,克服了現(xiàn)場拉電纜線等缺點,便于野外作業(yè)。實際應(yīng)用表明,該方案簡便、有效,值得推廣應(yīng)用。?
參考文獻?
1 劉書明,馮小平.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADμC812原理與應(yīng)用.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000?
2 于英民. 計算機接口技術(shù). 北京:電子工業(yè)出版社,1996?
3 胡 峪,劉 靜.VC++高級編程技巧與示例.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001