??? 摘? 要: 針對離散生產線的特點及監控系統的要求,研制了一種適用于該生產線的集中監控系統。重點介紹了該系統的體系結構、硬件電路及其軟件實現,實際應用效果較好。?
??? 關鍵詞: 遠程數據采集" title="數據采集">數據采集? 單片機? 無線傳輸
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??? 離散生產線是指由離散工藝過程組成的生產線。它所生產的產品在結構上由零部件組成,生產過程中的主要任務就是將原材料加工成零件,再由零件組裝成部件,最后總裝成產品。為了提高離散生產線的生產和管理水平,對生產線上的重要參數和加工設備本身的運行狀況等進行監控十分重要。目前,主要采用人工實時監視。即由人記錄生產線上每臺設備運行狀況,由人工抽樣檢查產品質量;然后以這些數據為依據,對設備進行管理和維護。但這種方式觀測精度低、工作強度大、數據的維護和分析困難,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絡技術實現基于網絡的設備遠程監控,形成全球化制造的企業。?
1 系統總體結構?
??? 設備遠程實時監控系統的體系結構如圖1所示。該系統采用了瀏覽器/服務器體系結構。現場設備監測系統是這一系統的起點,主要完成對設備的實時監測和對監測信息的采集、存儲和處理。監測信息經過處理后可進行遠距離網絡傳輸。遠程監測中心對異地傳輸的監測信息進行處理、分析,綜合各專家意見,得出結果并給出對策,通過網絡反饋至現場進行控制。在網絡設計方案中,利用企業級的交換機將各個生產車間的現場設備監測系統子網連接起來,然后通過路由器連接到Internet,保證了企業網絡系統的安全性。?
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??? 現場設備監測系統包括傳感器、數據采集子系統和PC機。主要對加工設備進行各種信號的采集、變換、顯示和與網絡連接等功能。現場監測系統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,數據采集子系統主要包括:數據采集單片機分機、主機和無線數據傳輸模塊、PC接口。結構方框圖如圖2所示。采用點對多點的無線雙工工作方式。即當主機發出指定點采集數據的命令后,主機即轉換接收狀態;指定點的分機接收到命令后,進行數據采集,并將結果和分機的編號上傳給主機。?
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2 采集系統的硬件設計?
2.1 主機的電路原理圖?
??? 在電路設計過程中,為了增加存儲容量,增設了一個TMS29F040芯片。該芯片提供了8個獨立的64KB模塊,通過標準的微控制器將JEDEC標準命令寫入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內置了T6963C控制器,可以與單片機方便接口。C/D是指令/數據選擇控制,指令訪問地址為0A00001H,數據訪問地址為0A00000H。另外,通過PS2000實現MCU應用系統與基于PC機平臺的網關emGateway接口。同時,為便于主機與分機實現點對多點的信息傳輸" title="信息傳輸">信息傳輸,系統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,主機發射一個碼值,對應碼值的分機實現信息傳輸。系統采用了無線發射與接收模塊nRF401,實現無線信息傳輸。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?
??? 為了采集現場信號,利用前向通道對其微弱信號調理(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,分別實現信號放大和濾波功能。然后,由ADμC812芯片的ALE腳進入系統。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,主機發射一個碼值,對應碼值的分機實現信息傳輸。同樣,系統采用了無線發射與接收模塊nRF401,實現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 采集系統中主機與從機信息傳輸軟件設計?
??? 在本系統中,主機可以隨時呼叫任一分機,發送命令;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,只需調用主呼分機的子程序；分機程序以中斷服務形式給出,其入口地址為串行口中斷入口地址0023H。這樣,當分機接收到的地址與本機地址符合時進入中斷服務程序,從而實現與主機相連。分機呼叫主機時,只需向主機發送一約定的控制字,主機得到此控制字即回呼該分機,從而實現與該分機連接。?
3.1 主機發送分機接收通信方式?
??? 圖5(a)、(b)分別為主機發送、分機接收時主機與分機軟件流程圖。主機作為發送者,向作為接收者的分機發送數據。在這種模式下,數據傳送方向不變,即主機先發送地址繼而發送數據。其中,主機軟件:(1)當I2C接口的特殊功能寄存器設置完成后,主機發送一個START位和分機地址到SDATA線上。在這個模式下R/W狀態位被復位。如果主機沒有收到分機的確認,就發送一個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,主機將發送預先寫在主機外部數據存儲器中的數據。每傳送一字節,分機都必須發出確認。收到確認后,主機將發送下一個數據。任何時候如果分機沒能確認,主機就發送一個STOP位,錯誤位被置位而傳送中止。(3)當發送計數BYTECNT=0時,就意味著最后一個要傳送的字節已被送出,主機將發送一個STOP位表示傳送結束。分機軟件:(1)當I2C接口的特殊功能寄存器被設置好后,并且主機也發送了一個START位,分機等待著接收第一個數據字節(數據到達后將產生一個中斷)。一旦收到后,分機將該數據與自己的地址相比較;若匹配,分機發送一個確認到SDATA線上,并將R/W狀態位置位后等待數據(數據到達將產生一個中斷)。(2)當主機發出一個數據字節,分機將它存入自己的內部存儲器,發送確認后,等待下一個數據字節(后續數據的到達將產生一個中斷)。(3)當分機收到最后一個字節,接收字節計數BYTECNT=0,此時,分機等待STOP位。一旦收到STOP,立即結束通信。?
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3.2 分機發送、主機接收通信方式?
??? 圖6(a)、(b)分別為分機發送、主機接收時主機與分機軟件流程圖。主機發送第一個字節后立即讀分機數據,即主機先發送地址后接收后面的三個數據字節。其中,主機軟件:(1)當I2C接口的特殊功能寄存器被設置好后,主機發送一個START位,然后發送分機地址到SDATA線上。在這個模式下R/W狀態位被復位。如果主機沒有收到分機的確認,就發送一個STOP位,錯誤位被置位而傳送中止。(2)如果從機進行了確認,主機等待第一個數據字節。一旦收到后,主機將它存入自己的內部存儲器,向分機發出確認后,等待下一個數據字節。(3)當發送計數BYTECNT=0時,就意味著最后一個要傳送的字節已被接收,主機將發送一個STOP位表示傳送結束。分機軟件:(1)當I2C接口的特殊功能寄存器被設置好后,主機也發送一個START位,分機等待著接收第一個數據字節(數據到達后將產生一個中斷)。一旦收到后,分機將該數據與自己的地址相比較。若匹配,分機發送一個確認到SDATA線上。(2)當R/W狀態位置位,分機發送一個要傳送的字節。發出數據后,分機等待主機的確認。每當收到主機的確認,分機發送下一個數據然后再等待確認。(3)當發送字節計數BYTECNT=0,主機發送一個STOP位而不是確認,同時結束傳送。?
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4 實驗結果?
??? 利用上面建立的無線點對多點的遠程在線數據采集系統,對重慶世耀工貿有限公司摩托車生產廠的精密車床進行振動監測。在進行數據采集時,點擊桌面上無線數據采集系統,即可啟動程序。然后,點擊端口設置按扭,彈出端口設置對話框,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、存儲器的大小等參數后,點擊確定,回到主界面。點擊打開模塊按扭,若系統工作正常,則顯示模塊正在工作;若系統工作不正常,則顯示系統未工作;在系統正常工作情況下,點擊握手設置按鈕,設置與主機通信的分機臺號、采集頻率與通道數等(每設置完一臺分機參數后,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,程序發送啟動命令,開始進行數據采集。在無線傳輸完后,系統將自動保存數據文件。可通過點擊打開顯示按鈕,將已保存的數據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操作界面圖。?
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??? 隨著檢測技術的不斷發展,自動化儀表的進步,現代檢測技術越來越多地應用于傳統的檢測系統中。該系統實現了無線點對多點數據采集與信息傳輸,采集精度高,數據傳輸抗干擾能力強,克服了現場拉電纜線等缺點,便于野外作業。實際應用表明,該方案簡便、有效,值得推廣應用。?
參考文獻?
1 劉書明,馮小平.數據采集系統芯片ADμC812原理與應用.西安:西安電子科技大學出版社,2000?
2 于英民. 計算機接口技術. 北京:電子工業出版社,1996?
3 胡 峪,劉 靜.VC++高級編程技巧與示例.西安:西安電子科技大學出版社,2001