摘  要: 针对离散生产线的特点及监控系统的要求,研制了一种适用于该生产线的集中监控系统。重点介绍了该系统的体系结构、硬件电路及其软件实现,实际应用效果较好。 

    关键词: 远程数据采集" title="数据采集">数据采集  单片机  无线传输

    离散生产线是指由离散工艺过程组成的生产线。它所生产的产品在结构上由零部件组成,生产过程中的主要任务就是将原材料加工成零件,再由零件组装成部件,最后总装成产品。为了提高离散生产线的生产和管理水平,对生产线上的重要参数和加工设备本身的运行状况等进行监控十分重要。目前,主要采用人工实时监视。即由人记录生产线上每台设备运行状况,由人工抽样检查产品质量;然后以这些数据为依据,对设备进行管理和维护。但这种方式观测精度低、工作强度大、数据的维护和分析困难,远不能满足目前市场激烈竞争的需要。为此,笔者直接利用计算机网络技术实现基于网络的设备远程监控,形成全球化制造的企业。 

1 系统总体结构 

    设备远程实时监控系统的体系结构如图1所示。该系统采用了浏览器/服务器体系结构。现场设备监测系统是这一系统的起点,主要完成对设备的实时监测和对监测信息的采集、存储和处理。监测信息经过处理后可进行远距离网络传输。远程监测中心对异地传输的监测信息进行处理、分析,综合各专家意见,得出结果并给出对策,通过网络反馈至现场进行控制。在网络设计方案中,利用企业级的交换机将各个生产车间的现场设备监测系统子网连接起来,然后通过路由器连接到Internet,保证了企业网络系统的安全性。 

    现场设备监测系统包括传感器、数据采集子系统和PC机。主要对加工设备进行各种信号的采集、变换、显示和与网络连接等功能。现场监测系统具有一定的信号分析和处理能力,而且可以扩充传感器测量单元,对加工设备进行多个传感器的多点" title="多点">多点、多信号采集和分析。其中,数据采集子系统主要包括:数据采集单片机分机、主机和无线数据传输模块、PC接口。结构方框图如图2所示。采用点对多点的无线双工工作方式。即当主机发出指定点采集数据的命令后,主机即转换接收状态;指定点的分机接收到命令后,进行数据采集,并将结果和分机的编号上传给主机。 

2 采集系统的硬件设计 

2.1 主机的电路原理图 

    在电路设计过程中,为了增加存储容量,增设了一个TMS29F040芯片。该芯片提供了8个独立的64KB模块,通过标准的微控制器将JEDEC标准命令写入FLASH命令寄存器5555H和2AAAH,地址空间为000000H～07FFFFH。为了使人机接口方便直观,电路中采用点阵图形方式的LCD。该LCD内置了T6963C控制器,可以与单片机方便接口。C/D是指令/数据选择控制,指令访问地址为0A00001H,数据访问地址为0A00000H。另外,通过PS2000实现MCU应用系统与基于PC机平台的网关emGateway接口。同时,为便于主机与分机实现点对多点的信息传输" title="信息传输">信息传输,系统采用了硬件编码的方式,使用UM3758编码器。每个分机给定固定编码,主机发射一个码值,对应码值的分机实现信息传输。系统采用了无线发射与接收模块nRF401,实现无线信息传输。主机的电路原理图" title="电路原理图">电路原理图如图3所示。 

2.2 分机电路原理图 

    为了采集现场信号,利用前向通道对其微弱信号调理(包括阻抗匹配、滤波、直流隔离、放大等功能)。该部件采用了2片AD620和1片TLC14集成电路,分别实现信号放大和滤波功能。然后,由ADμC812芯片的ALE脚进入系统。为了与主机进行信号通信,在分机中同样也采用了硬件编码方式。利用UM3758编码器,每个分机给定固定编码,主机发射一个码值,对应码值的分机实现信息传输。同样,系统采用了无线发射与接收模块nRF401,实现了与主机无线信息传输,分机的电路原理图如图4所示。 

3 采集系统中主机与从机信息传输软件设计 

    在本系统中,主机可以随时呼叫任一分机,发送命令;分机也可以随时呼叫主机,向主机提出请求。分机之间不能直接通信,只能通过主机交换信息。主机呼叫分机时采用中断方式,只需调用主呼分机的子程序；分机程序以中断服务形式给出,其入口地址为串行口中断入口地址0023H。这样,当分机接收到的地址与本机地址符合时进入中断服务程序,从而实现与主机相连。分机呼叫主机时,只需向主机发送一约定的控制字,主机得到此控制字即回呼该分机,从而实现与该分机连接。 

3.1 主机发送分机接收通信方式 

    图5(a)、(b)分别为主机发送、分机接收时主机与分机软件流程图。主机作为发送者,向作为接收者的分机发送数据。在这种模式下,数据传送方向不变,即主机先发送地址继而发送数据。其中,主机软件:(1)当I2C接口的特殊功能寄存器设置完成后,主机发送一个START位和分机地址到SDATA线上。在这个模式下R/W状态位被复位。如果主机没有收到分机的确认,就发送一个STOP位,错误位被置位" title="置位">置位而传送中止。(2)如果从机进行了确认,主机将发送预先写在主机外部数据存储器中的数据。每传送一字节,分机都必须发出确认。收到确认后,主机将发送下一个数据。任何时候如果分机没能确认,主机就发送一个STOP位,错误位被置位而传送中止。(3)当发送计数BYTECNT=0时,就意味着最后一个要传送的字节已被送出,主机将发送一个STOP位表示传送结束。分机软件:(1)当I²C接口的特殊功能寄存器被设置好后,并且主机也发送了一个START位,分机等待着接收第一个数据字节(数据到达后将产生一个中断)。一旦收到后,分机将该数据与自己的地址相比较;若匹配,分机发送一个确认到SDATA线上,并将R/W状态位置位后等待数据(数据到达将产生一个中断)。(2)当主机发出一个数据字节,分机将它存入自己的内部存储器,发送确认后,等待下一个数据字节(后续数据的到达将产生一个中断)。(3)当分机收到最后一个字节,接收字节计数BYTECNT=0,此时,分机等待STOP位。一旦收到STOP,立即结束通信。 

3.2 分机发送、主机接收通信方式 

    图6(a)、(b)分别为分机发送、主机接收时主机与分机软件流程图。主机发送第一个字节后立即读分机数据,即主机先发送地址后接收后面的三个数据字节。其中,主机软件:(1)当I²C接口的特殊功能寄存器被设置好后,主机发送一个START位,然后发送分机地址到SDATA线上。在这个模式下R/W状态位被复位。如果主机没有收到分机的确认,就发送一个STOP位,错误位被置位而传送中止。(2)如果从机进行了确认,主机等待第一个数据字节。一旦收到后,主机将它存入自己的内部存储器,向分机发出确认后,等待下一个数据字节。(3)当发送计数BYTECNT=0时,就意味着最后一个要传送的字节已被接收,主机将发送一个STOP位表示传送结束。分机软件:(1)当I²C接口的特殊功能寄存器被设置好后,主机也发送一个START位,分机等待着接收第一个数据字节(数据到达后将产生一个中断)。一旦收到后,分机将该数据与自己的地址相比较。若匹配,分机发送一个确认到SDATA线上。(2)当R/W状态位置位,分机发送一个要传送的字节。发出数据后,分机等待主机的确认。每当收到主机的确认,分机发送下一个数据然后再等待确认。(3)当发送字节计数BYTECNT=0,主机发送一个STOP位而不是确认,同时结束传送。 

4 实验结果 

    利用上面建立的无线点对多点的远程在线数据采集系统,对重庆世耀工贸有限公司摩托车生产厂的精密车床进行振动监测。在进行数据采集时,点击桌面上无线数据采集系统,即可启动程序。然后,点击端口设置按扭,弹出端口设置对话框,选择与PC主机无线传收模块相连接的RS232串口、波特率、工作距离、测量参数、存储器的大小等参数后,点击确定,回到主界面。点击打开模块按扭,若系统工作正常,则显示模块正在工作;若系统工作不正常,则显示系统未工作;在系统正常工作情况下,点击握手设置按钮,设置与主机通信的分机台号、采集频率与通道数等(每设置完一台分机参数后,就点击握手);在各台分机与主机之间握手成功后,点击启动按钮,程序发送启动命令,开始进行数据采集。在无线传输完后,系统将自动保存数据文件。可通过点击打开显示按钮,将已保存的数据按图形方式显示于图形框中。图7所示为某精密车床的振动检测的时域信号与系统操作界面图。 

    随着检测技术的不断发展,自动化仪表的进步,现代检测技术越来越多地应用于传统的检测系统中。该系统实现了无线点对多点数据采集与信息传输,采集精度高,数据传输抗干扰能力强,克服了现场拉电缆线等缺点,便于野外作业。实际应用表明,该方案简便、有效,值得推广应用。 

参考文献 

1 刘书明,冯小平.数据采集系统芯片ADμC812原理与应用.西安:西安电子科技大学出版社,2000 

2 于英民. 计算机接口技术. 北京:电子工业出版社,1996 

3 胡 峪,刘 静.VC++高级编程技巧与示例.西安:西安电子科技大学出版社,2001