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02月22日 2020

觸摸式無(wú)紙記錄儀技術(shù)論文

發(fā)布者:虹潤集團

觸摸式無(wú)紙記錄儀的設計原理及信號測試技術(shù)

卞堅斌   林善平   陳志揚   張強 

福建順昌虹潤精密儀器有限公司

引言

       隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,儀器儀表也不斷更新?lián)Q代,使記錄儀徹底擺脫了經(jīng)典的機械記錄方式,進(jìn)入全新的觸摸式無(wú)紙時(shí)代,觸摸式無(wú)紙記錄儀具有清晰醒目的顯示畫(huà)面、豐富多樣的顯示方式、簡(jiǎn)便靈活的設置、友好的HMI人機界面、強大的網(wǎng)絡(luò )通訊功能等特點(diǎn),必將代替老式的走紙記錄儀。

       目前國內外開(kāi)發(fā)生產(chǎn)觸摸式無(wú)紙記錄儀的廠(chǎng)家日益增多,國內有浙大中控、虹潤等,國外有日本橫河、德國久茂、歐陸等。

       從20世紀90年代起,計算機技術(shù)產(chǎn)生了迅猛發(fā)展,新的硬件設備層出不窮,特別是中央處理器(CPU)和存儲器(RAM)。CPU的速度從幾十兆赫到幾百兆赫,再發(fā)展到現在的一千兆赫,使圖形的處理速度有了很大的提高。存儲器容量也從原來(lái)的64KB到現在的128MB,另外液晶顯示器也從原來(lái)的單色液晶顯示到現在的TFT真彩LED顯示。

       觸摸式無(wú)紙記錄儀廠(chǎng)家通過(guò)開(kāi)發(fā)各自的DTM數據管理軟件來(lái)管理觸摸式無(wú)紙記錄儀的數據存儲,這種強大的管理軟件的性能現已接近于組態(tài)軟件功能。通過(guò)強大的網(wǎng)絡(luò )通訊平臺,使多臺觸摸式無(wú)紙記錄儀聯(lián)網(wǎng),從文件服務(wù)器(FTP)上能管理和監視觸摸式無(wú)紙記錄儀的數據和運行情況。NHR8000系列虹潤觸摸式無(wú)紙記錄儀配置TCP/IP協(xié)議,通過(guò)調制解調器,觸摸式無(wú)紙記錄儀進(jìn)入因特網(wǎng),即觸摸式無(wú)紙記錄儀可通過(guò)因特網(wǎng)隨時(shí)看到產(chǎn)品的工作情況,實(shí)現產(chǎn)品的數據交換。下面介紹觸摸式無(wú)紙記錄儀的工作原理、組成及其信號測試。

       2觸摸式無(wú)紙記錄儀總體架構圖

       觸摸式無(wú)紙記錄儀總體架構見(jiàn)圖1。


       觸摸式無(wú)紙記錄儀主要由主板、按鍵板、數據采集板、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出板、液晶屏、觸摸屏、液晶驅動(dòng)板、電源板、轉接公共板等組成。按鍵面板通過(guò)PS/2接口與主板連接,LCD通過(guò)TFT接口與主板連接,主板的RS232接口連接到轉接板,再通過(guò)轉接板和各采集板和開(kāi)關(guān)量輸入輸出板連接,構成了多個(gè)RS232通信電路。

       觸摸式無(wú)紙記錄儀操作單元主要分為兩個(gè)組成部分。

       它分為數據采集控制單元和圖形操作單元。

       數據采集控制單元由數據采集板、開(kāi)關(guān)量輸入輸出板等組成。

       圖形操作單元由按鍵板、主板和液晶組成。

       數據采集控制單元的作用:采集板為獨立的工作機制,核心是由獨立的CPU(MSC1210)完成對現場(chǎng)信號的采集,外部執行機構的控制由主板發(fā)送指令報文完成。

       圖形操作單元的作用:接收數據采集控制單元發(fā)過(guò)來(lái)的數據,完成對數據進(jìn)行處理、顯示和存儲等功能,通過(guò)按鍵面板實(shí)現對畫(huà)面的組態(tài)。

       采集板的總體框架圖見(jiàn)圖2。


       數據采集板能實(shí)現:12路萬(wàn)能信號輸入,數據采集板采用MSC1210芯片作為微處理器,主要外圍電路包括信號調理電路、信號放大電路、信號轉換電路、通訊電路、撥碼開(kāi)關(guān)組成開(kāi)關(guān)量輸入、輸出電路。

       數據采集板由撥碼開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊,通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的不同組合來(lái)定義從機的地址。數據的采集將模擬信號轉換成數字量送入采集板處理器中處理。

       通用模擬量的采集由光耦繼電器、運放、電阻和信號保護調理電路組成。通過(guò)采集板的微處理器控制光耦開(kāi)閉,實(shí)現不同傳感器信號的轉換。

       為避免高低噪聲影響到采集精度,在信號處理電路上增加了磁珠和RC濾波電路,磁珠能抑制高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力,RC濾波電路能抑制低頻干擾和降低低射頻干擾。

       3   NHR觸摸式無(wú)紙記錄儀設計原理框圖

       NHR8000系列觸摸式無(wú)紙記錄儀以STM32F207的ARM處理器為核心,加上存儲器和輸入輸出設備組成觸摸式無(wú)紙記錄儀,原理框圖見(jiàn)圖3。


       4   系統組成部分 

       4.1主機板中央控制器

       中央控制單元作為觸摸式無(wú)紙記錄儀的核心,主要完成觸摸式無(wú)紙記錄儀的控制,運算,顯示,通訊等功能;觸摸式無(wú)紙記錄儀中央處理器采用基于A(yíng)RM內核的32位MCU,150DMIPs,高達1MB的FLASH/128+4KB RAM ,USB ON-The-Go Full-speed/High-speed ,以太網(wǎng),17Tims,3ADCS,15個(gè)通信攝像頭接口功能的STM32F207處理器。使用ARM 32位cortex-M3CPU,自適應實(shí)時(shí)加速器可以讓程序在FLASH中以最高128MHz頻率執行時(shí),能夠實(shí)現零等待狀態(tài)的運行性能,內置存儲器保護單元能夠實(shí)現高達150DMIPS/1.25DMIPS/MHz性能。該器件擁有512字節的動(dòng)態(tài)口令存儲器,支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器,并行LCD接口,兼容8080/6800模式時(shí)鐘、復位和電源管理。

       4.2采集板中央處理器

       采集板中央處理器作為觸摸式無(wú)紙記錄儀信號采集的核心,主要完成觸摸式無(wú)紙記錄儀信號的采集,通訊等功能,采集板中央處理器采用基于8051內核單片機,它擁有33MHz的時(shí)鐘周期,8路24位高精度∑-△A/D轉換器,Flash存儲器等。

       4.3  存儲器設備

       觸摸式無(wú)紙記錄儀存儲器設備有EPROM,EEPROM,鐵電存儲器FRAM和內部Flash、RAM構成。EPROM主要用于存儲程序,其中還有一些區域是用來(lái)存儲系統參數,RAM用來(lái)存儲工作數據(模擬輸入數據)以及CPU操作過(guò)程中所需要的指針和數據,工作參數和配置參數也存在RAM中,正常操作時(shí)從RAM調用,一些重要的參數配置參數存儲在EEPROM中,一旦掉電把EEPROM中的參數調入RAM中,觸摸式無(wú)紙記錄儀使用的EEPROM為鐵電存儲器FRAM。

       4.4   顯示屏和觸摸屏

       顯示屏是交互設備的主體,能提供足夠的信息量,便于用戶(hù)的操作,

       具有易讀性和易操作性。觸摸式無(wú)紙記錄儀采用TFT真彩顯示的7寸屏,帶LED背光,分辨率為800*480,寬視角,觸摸屏采用電阻式觸摸屏。

       4.5觸摸式無(wú)紙記錄儀的軟件部分

       4.5.1采集板主程序軟件部分

       采集板主程序的流程圖見(jiàn)圖6。


       主程序通過(guò)初始化函數完成對微處理器時(shí)鐘頻率配置、串口初始化、AD芯片校準、定時(shí)中斷的設置和系統變量初始化,然后讀取撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)獲取采集板的地址并把這個(gè)信息存入RAM中,每塊采集板都有各自的地址,在與主機板通信時(shí)候,采集板處理自己地址的報文,采集板的中央處理器處理相應的采集子程序,將采集數據子程序放在串口中斷里實(shí)現,目的是為了保證采集板在接到主機取指命令時(shí)直接采集最新程序,這樣可提高觸摸式無(wú)紙記錄儀的數據刷新速度。采集子程序會(huì )調用相關(guān)的模塊函數,并把這些數據放到相應的RAM中。

       4.5.2采集板驅動(dòng)程序部分

       采集板驅動(dòng)程序設計見(jiàn)圖5


       采集板數據驅動(dòng)程序包括AD采集模塊、DA輸出模塊、冷端采集模塊、通訊模塊等,不同的模塊在程序中有各自的頭文件和源文件,采用模塊化結構的模塊可以提高代碼的重用率,只要修改少量代碼就可以完成程序的移植,在程序中只需要調用各公共的接口函數就能對設備進(jìn)行操作,這樣一來(lái)系統軟件的層次分明,便于維護和調試。

       4.5.3 AD采集程序部分

       AD采集程序見(jiàn)圖7。

       4.5.4 DA輸出程序部分

       主機發(fā)送DA配置報文,通過(guò)調用DA輸出通道配置函數配置電壓值,DA采用三線(xiàn)制串行接口通信方式,通過(guò)串行接口線(xiàn)配置16位輸入移位寄存器。通過(guò)調用DA通道配置接口函數和輸出函數完成各輸出數據的同時(shí)更新。

       4.5.5 數據通訊模塊程序部分

       數據通訊模塊程序設計見(jiàn)圖8。


       數據通訊模塊程序包含串口通信初始化函數、串口單字節數據發(fā)送函數、串口多字節數據發(fā)送函數等,在串口接到主機發(fā)來(lái)的地址幀數據時(shí)候就會(huì )引發(fā)中斷,轉到串口接收中斷程序中執行。根據接收到的報文數據,串口接收中斷程序會(huì )做出應答和動(dòng)作。在主程序執行初始化時(shí)調用串口通信初始化函數,選擇串行通信接口模式,使串口接收器處于待機狀態(tài)。當串口接收到數據時(shí)候會(huì )引發(fā)串口中斷,執行串口中斷程序。

       4.5.6開(kāi)關(guān)量輸入板的驅動(dòng)程序部分

       開(kāi)關(guān)量輸入板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或門(mén)等實(shí)現開(kāi)關(guān)量的檢測輸入,開(kāi)關(guān)量輸入板驅動(dòng)程序見(jiàn)圖8。


       開(kāi)關(guān)量輸入板程序包含端口讀取函數、串口通信初始化函數、串口單字節數據發(fā)送函數、串口多字節數據發(fā)送函數等,開(kāi)關(guān)量輸入板實(shí)際上是對微處理器的端口進(jìn)行讀取操作,調用接口函數就可以讀取開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。

       4.5.7開(kāi)關(guān)量輸出板的驅動(dòng)程序部分

       開(kāi)關(guān)量輸出板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或非門(mén)、大功率驅動(dòng)芯片等實(shí)現對繼電器的控制。開(kāi)關(guān)量輸出板驅動(dòng)見(jiàn)圖9。


       開(kāi)關(guān)量輸出板程序包含端口寫(xiě)函數、串口通信初始化函數、串口單字節數據發(fā)送函數、串口多字節數據發(fā)送函數等,開(kāi)關(guān)量輸入板實(shí)際上是對微處理器的端口進(jìn)行設置輸出,調用接口函數就可以設置開(kāi)關(guān)量輸出。

       4.5.8按鍵面板設計程序部分

       按鍵面板電路主要由微處理器、按鍵以及外圍電路等組成,它通過(guò)PS/2接口與主機板連接,可通過(guò)四根線(xiàn)實(shí)現通信。

       按鍵面板的軟件設計見(jiàn)圖10。


       按鍵延遲0.5S后向主板發(fā)送0XAA通知主板。開(kāi)總中斷、外部中斷,設置中斷觸發(fā)模式,將時(shí)鐘線(xiàn)、數據線(xiàn)連在微處理器的中斷引腳上,掃描鍵盤(pán),看是否有按鍵按下,確定按鍵的位置,發(fā)送相應的碼。判斷時(shí)鐘線(xiàn)是否為低電平,如是則延時(shí)100US再判斷時(shí)鐘線(xiàn)是否為低,等待時(shí)鐘釋放,再看數據線(xiàn)是否為低,為低則表明主板在請求發(fā)送數據,根據主板發(fā)來(lái)的指令作出相應的應答和動(dòng)作。

       4.5.9  主機板和采集板之間的通訊電路部分

       為保證觸摸式無(wú)紙記錄儀在實(shí)際現場(chǎng)的通訊的可靠和系統的安全,在通訊電路處理中對信號和電源進(jìn)行隔離,通訊電路和微處理器之間通過(guò)光耦隔離,實(shí)現系統的全隔離。通訊部分電源由開(kāi)關(guān)電源提供,避免了接地環(huán)路問(wèn)題。

       主機板和采集板之間的通訊見(jiàn)圖4。

       主控制板與采集板之間的通信電路采用主從總線(xiàn)拓撲結構,以主控制板為主機,采集板為從機,每塊采集板的通信接口與RS232芯片連接,為防止輸出端電平相互影響,在從機的發(fā)送端和主機的接收端之間串入一個(gè)二極管。為保證機和從機正常的傳送數據,需要有一套完整的信息傳輸模式,數據格式以及內容的規約協(xié)議。主機向所有從機發(fā)送帶地址信息的指令報文,被尋址從機根據指令報文中功能碼做出應答或動(dòng)作,每個(gè)從機都有各自的獨立的地址,主機向從機發(fā)送的各種指令報文和從機所發(fā)的報文都是以從機的地址為開(kāi)頭的,從機只讀取發(fā)給自己的指令,對以其它從機開(kāi)頭的報文不做應答。

       4.5.10鍵盤(pán)輸入及電路部分

       鍵盤(pán)是另外一個(gè)交互設備,一般是用來(lái)給用戶(hù)輸入信息,包括設置儀表參數,校準儀表輸入輸出信號等。觸摸式無(wú)紙記錄儀采用一顆按鍵掃描芯片,可通過(guò)串行通信的方式讀取芯片數據,CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數據,然后完成響應的操作。觸摸式無(wú)紙記錄儀的鍵盤(pán)操作分一般操作員操作和工程師操作,通過(guò)不同的按鍵組合和密碼來(lái)限制、區分不同的操作類(lèi)型。

       4.5.11 觸摸校準技術(shù)

       觸摸式無(wú)紙記錄儀表選用的是電阻壓力型觸摸屏,通過(guò)壓力感應來(lái)完成硬件觸摸。

       軟件采用兩點(diǎn)校準法實(shí)現,其中校準點(diǎn)數越多,觸摸屏數據越精確。

       兩點(diǎn)校準法方法如下:

       在觸摸屏的左上角和右下角分別顯示兩個(gè)校準圖標(長(cháng)為20的十字光標),十字光標的交叉點(diǎn)即為校準點(diǎn)。軟件算法實(shí)現為程序第一次啟動(dòng)時(shí)將會(huì )進(jìn)入校準模式,出現左上角的十字光標,請用戶(hù)觸摸十字交叉的中心,如果觸摸點(diǎn)明顯偏離十字叉的中心,則程序為要求重新校準。

       5、NHR系列觸摸式無(wú)紙記錄儀

       NHR-8100/8700系列彩色觸摸式無(wú)紙記錄儀萬(wàn)能輸入(可組態(tài)選擇輸入:標準電壓、標準電流、熱電偶、熱電阻、毫伏等)??蓭?8路報警輸出或12路模擬量變送輸出,RS232/485通訊接口,以太網(wǎng)接口,微型打印機接口和USB接口,SD卡插座;可提供傳感器配電;具有強大的顯示功能,實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示,歷史曲線(xiàn)追憶,棒圖顯示,報警列表顯示等。

       NHR系列觸摸式無(wú)紙記錄儀的主要技術(shù)參數見(jiàn)表1。

       表1  NHR系列觸摸式無(wú)紙記錄儀技術(shù)參數

       測量輸入

       輸入信號

       電    流:0~20mA、0~10mA、4~20mA、0~10mA開(kāi)方、4~20mA開(kāi)方

       電    壓:0~5V、1~5V、0~10V、±5V、0~5V開(kāi)方、1~5V開(kāi)方、0~20 mV、

       0~100mV、±20mV、±100mV

       熱 電 阻:Pt100、Cu50、Cu53、Cu100、BA1、BA2

       線(xiàn)性電阻:0~400Ω

       熱 電 偶:B、S、K、E、T、J、R、N、F2、Wre3-25、Wre5-26

       輸出

       輸出信號

       模擬輸出:4~20mA(負載電阻≤380Ω)、0~20mA(負載電阻≤380Ω)、0~10mA(負載電阻≤760Ω)、1~5V(負載電阻≥250KΩ)、0~5V(負載電阻≥250KΩ)、0~10V(負載電阻≥10KΩ)

       報警輸出:繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)輸出,觸點(diǎn)容量1A/250VAC(阻性負載)

               (!注:當負載超過(guò)繼電器觸點(diǎn)容量時(shí),請不要直接帶負載)

       饋電輸出:DC24V±1,負載電流≤250mA

       通訊輸出:RS485/RS232通訊接口,波特率1200~57600bps可設置,采用標準MODBUS RTU通訊協(xié)議,RS-485通訊距離可達1公里;RS-232通訊距離可達15米;EtherNet通訊接口,通訊速率為10M,(只適用于局域網(wǎng))

       綜合參數

       測量精度

       0.2%FS±1d

       采樣周期

       1秒

       設定方式

       面板輕觸式按鍵設定;參數設定值密碼鎖定;設定值斷電永久保存。

       顯示方式

       7英寸800*480點(diǎn)陣寬屏TFT高亮度彩色圖形液晶顯示,LED背光、畫(huà)面清晰、寬視角。

       顯示內容可由漢字,數字,過(guò)程曲線(xiàn),棒圖等組成,通過(guò)面板按鍵可完成畫(huà)面翻頁(yè),歷史數據前后搜索,曲線(xiàn)時(shí)標變更等

       數據備份

       支持U盤(pán)和SD卡進(jìn)行數據備份與轉存,最大容量為8GB,支持FAT、FAT32格式

       存儲容量

       內部Flash存儲器容量64M Byte

       記錄間隔

       1、2、4、6、15、30、60、120、240秒九檔可供選擇。

       存儲長(cháng)度(不斷電連續記錄)

       24天(間隔1秒時(shí))—5825天(間隔240秒時(shí))

       計算公式:記錄時(shí)間(天)=                                  

       (!注:通道數的計算:程序將通道數劃分為4、8、16、32、64五檔,當儀表通道數落在兩檔之間時(shí),以大的數作為計算的通道數。例如:儀表通道數是12路,公式中通道數以16計算)

       6、其它功能介紹

       6.1 觸摸式無(wú)紙記錄儀數據保密功能

       觸摸式無(wú)紙記錄儀數據的存儲以二進(jìn)制的形式實(shí)現,只有通過(guò)注冊用戶(hù)才能訪(fǎng)問(wèn)觸摸式無(wú)紙記錄儀生成的數據,每組歷史數據以文件的形式生成,需要通過(guò)數據管理軟件打開(kāi)。

       6.2觸摸式無(wú)紙記錄儀安全訪(fǎng)問(wèn)

       安全訪(fǎng)問(wèn)需要通過(guò)設置登入口令來(lái)完成,查看實(shí)時(shí)數據、歷史數據、報警事件不需要通過(guò)登入口令來(lái)實(shí)現,如果需要配置參數和組態(tài)則需要輸入口令,這樣確保用戶(hù)數據和配置參數的安全性。

       6.3觸摸式無(wú)紙記錄儀數據安全

       數據最初保存在內存中,定期將此數據傳輸到可移動(dòng)的存儲媒體中(sd卡等),也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通訊功能將實(shí)時(shí)數據傳輸給文件服務(wù)器,從而增加數據的安全性。

       6.4觸摸式無(wú)紙記錄儀軟件組態(tài)功能

       觸摸式無(wú)紙記錄儀可通過(guò)設定數學(xué)運算模式實(shí)現流量測量功能和PID控制功能。

       7 觸摸式無(wú)紙記錄儀的信號測試

       7.1電壓信號測試

       電壓測試用CA150作為信號源,輸入兩點(diǎn)分別為1V和4V,每個(gè)點(diǎn)取20次平均值,建立數學(xué)模型y=mx+b,算出m和b的值,然后在分別輸入1-4V每個(gè)點(diǎn)所對應的信號值,算出精度。其中x為AD轉換的數字量,y為實(shí)測值。

       7.2電流信號測試

       電流測試可建立數學(xué)模型y=(10/6669113)x-0.001419其中x為AD轉換的數字量,y為實(shí)測值。

       7.3熱電阻信號測試

       熱電阻信號測試可建立數學(xué)模型y=0.396x×10-5-259.74其中x為AD轉換的數字量,y為實(shí)測值。

       7.4熱電偶信號測試

       熱電偶傳感器是非線(xiàn)性傳感器,MV信號與溫度呈非線(xiàn)性關(guān)系,需要應用拉格郎日插值法進(jìn)行數學(xué)處理,采集每個(gè)溫度點(diǎn)通過(guò)數學(xué)處理方法算出采集20次的AD數字量,然后轉換成電勢值,再用拉格郎日插值法算出對應的實(shí)際溫度值。

       8、結束語(yǔ)

       考慮到將觸摸式無(wú)紙記錄儀表取代小型的控制系統應用于流程工業(yè)、設備配套、機械包裝等行業(yè)中,要求在圖形畫(huà)面上做出更多的動(dòng)態(tài)對象,需要嵌入更多復雜的操作系統,這樣一來(lái)對于主機板的配置的要求更為重要,需要選擇運行速度快的主板平臺。為提高操作的靈活性需要在操作系統下增加觸摸式顯示很操作。另外隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,要求越來(lái)越多的帶有數據采集的觸摸式無(wú)紙記錄儀在軟硬件的安全性能上做進(jìn)一步的研究和探討,我相信關(guān)于觸摸式無(wú)紙記錄儀的應用將具備廣闊的市場(chǎng)前景。

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