1　引言

 

　　目前环境试验设备已经广泛应用于民用、工业、以及国防等各个行业,环境试验设备的种类也在不断增加,如温度冲击试验箱、干燥箱及生化箱、高低气压试验箱等等。这些设备主要作用是为某些产品做特定的环境试验,以达到检测和鉴定的目的。当前大部分试验设备的控制系统都由性能稳定、可靠性高的PLC来实现,同时配置微型打印机,用于记录和打印试验过程中的温度、湿度、压力等数据。现在一些大中型试验设备已经配备了彩色触摸屏系统,用来设置试验参数、显示运行状况等,但是其试验数据输出的方式主要采用RS232或者RS485标准通信接口加微型打印机的方式[1]。

 

　　微型打印机内部机械活动部件较多,可靠性较差,容易出现机械故障,使用过程中还需要定期更换记录纸,长期运行费用较高,而且打印的数据不利于输入计算机进行分析,也不利于长期保存;采用RS232或RS485通信方式输出数据不适应远距离、大信息量的数据传输,也不便于现场设备的组网。因此笔者设计了一种具有通用性和网络互联功能的低成本无纸记录仪。该记录仪采用工业级嵌入式处理器AT91RM9200作为CPU,NAND FLASH保存试验数据,可通过USB接口将数据导出到USB存储器,也可以用10/100M以太网口将车间所有试验设备组网,通过工业以太网上传试验数据,实现集中监控。

 

　　2　系统工作原理

 

　　USB具有高速度、热插拔、易扩展、占用系统资源少等优点,广泛应用在PC外设和便携式系统中。无纸记录仪采用USB存储器导出试验数据来取代微型打印机,可以降低设备运行成本,便于数据保存和采用相关软件进行分析。

 

　　当车间有多台试验设备时,为了有效的对这些设备进行集中管理,就需要将这些设备通过组网的方式进行连接。随着以太网的快速普及,工业以太网也已成为现场总线中的主流技术[2]。通过工业以太网实现网络连接,可以解决RS232、RS485串口终端在传输距离和可靠性方面的局限性。记录仪可以实现串口通信协议到TCP/IP网络协议的透明转换,把现有的RS232接口的数据转化成IP端口的数据,然后进行IP化的管理, IP化的数据存取。这样就能将传统的串行数据通过工业以太网来传输,而无需过早淘汰原有的设备,从而提高了现有设备的利用率,节约了投资,还可在既有的网络基础上简化布线复杂度。

 

　　而在监控主机端,通过开发相应的驱动程序后,可以将封装到TCP/IP数据包里的串口数据取出,然后发送到监控主机上的一个虚拟串口。这样就实现了这个虚拟串口与对应记录仪连接的PLC串口的远程映射,用户可以直接编写串口程序即可读取远端PLC数据,也可以直接使用原来的串口应用程序。采用这种方案既简化了用户编程,又便于系统升级和改造。系统结构如图1所示。

 

　　

 

　　3　硬件设计

 

　　大部分试验设备箱内都有大电流继电器的存在,它们的接通和断开都会产生很强的电磁干扰。无纸记录仪要能够在试验设备箱内长期稳定运行,就要选择集成度高、稳定性好的工业级处理器,同时采用各种抗干扰措施来保证系统稳定可靠。本文设计选择ATMEL公司基于ARM核的32位嵌入式工业级RISC处理器AT91RM9200作为无纸记录仪的处理器。

 

　　AT91RM9200是ATMEL公司基于ARM920T内核的微型控制器,它是基于ARM/Thumb指令集的完整的片上系统,工作在180MHz频率下的运算速度可高于200MIPS。具有丰富的硬件接口和软件接口。同时它是工业级的产品,温度特性优良,稳定性好,非常适合应用于工业现场控制场所[3, 4]。无纸记录仪的硬件结构框图如图2所示,主要由AT91RM9200、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、RS232串口、USB2·0接口、10/100M自适应网络接口、电源等模块组成.

 

　　

 

　　3·1　存储系统

 

　　试验设备箱无纸记录仪的存储系统由SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH存储器组成。32M字节的SDRAM用来提供Linux操作系统和应用程序运行所需要的存储空间; 4M字节的NOR FLASH用来存储系统启动代码Bootloader、Linux内核和应用程序代码; 64M字节的NANDFLASH则用来存储PLC输出的试验数据。

 

　　AT91RM9200在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑,可方便地与SDRAM接口。SDRAM由两片16位数据宽度的HY57V281620并联为32位数据宽度的32MB SDRAM存储系统,映射到AT91RM9200的NCS1,地址范围是: 0x20000000–0x21FFFFFF。

 

　　NOR FLASH采用SST公司的SST39VF320芯片,该芯片容量为2M×16位,共4M字节,访问速度70ns,映射到AT91RM9200的NCS0,地址范围是:0x10000000-0x103FFFFF。

 

　　NAND FLASH采用三星公司的K9F1208,该芯片容量为64M字节,映射到AT91RM9200的NCS3,地址范围是:0x40000000-0x43FFFFFF。

 

　　3·2　USB2·0接口设计

 

　　AT91RM9200自带一个USB2·0全速主机口,用它来将保存在NAND FLASH中的试验数据转存到U盘中去。无纸记录仪安装在实验设备箱内,通过一根USB屏蔽延长线连接到试验设备箱的前面板上。由于实验箱内存在严重的电磁干扰,会对U盘的读写产生影响,因此要在普通的全速USB2·0主机口设计上增加了抗干扰电路,电路图如图3所示。在图中, L1、L2是muRata公司的片状铁氧体磁珠BLM21PG221SN1,用于高频噪音的抑制。L3是muRata公司的片状共模扼流线圈DLW21SN121SQ2。共模扼流线圈由两根导线同方向绕在磁芯材料上,当共模电流通过时,共模抗流器会因磁通量叠加而产生高阻抗;当差模电流通过时,共模抗流器因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。因此适用于高速差分信号线的共模噪声抑制。D1、D2为静电释放抑制器。

 

　　

 

　　

 

3·3　以太网接口设计

 

　　AT91RM9200芯片集成了以太网MAC控制器,但是没有提供物理层接口,因此需要外接一个DM9161物理层芯片来提供接入以太网的通道。在DM9161和RJ45接口间采用网络隔离变压器来实现信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等功能。DM9161的RX+/RX-、TX+/TX-接到网络隔离变压器上,再由变压器引出相应信号连接到RJ45接口上,网络模块连接方式如图3所示。

 

　　

 

         3·4　电源设计

 

　　电源的设计包括电源保护电路、电源滤波器、和电平转换电路。主板电源包括+5V、+3·3 V和+1·8V。通过开关型集成稳压芯片LM2576可以将试验设备箱内+24V直流电源转换成+5V,然后再使用LM1117-3·3和LM1117-1·8这两款LDO芯片,将+5V转换成为+3·3V和+1·8V直流电源。图4是电源保护和电源滤波电路的电路图。F1是自恢复保险丝,作过流保护;D1用来防止电源接反; C1、C2是差模滤波电容;C3、C4是共模滤波电容;L1是共模扼流线圈,主要用来滤除电源线上通过传导或者辐射的方式产生的共模电流。

 

　　

 

　　4　软件设计

 

　　要实现无纸记录仪所具备的功能需要同时运行多个任务,如串口数据的收发、保存试验数据到U盘、网络通信等等,这就要对多任务进行合理的调度;另外无纸记录仪需要保存的数据较多,尤其是长时间试验需要保存的数据,采用表或数组是不够的,因此文件管理也是必不可少的一项功能。本文选择功能和可靠性都很成熟的Linux-2·4·26内核版本以及针对91RM9200体系结构的补丁。给标准内核源代码打上补丁后,该内核就可应用于AT91RM9200了,这就大大节省了产品开发时间。剩下的主要移植工作就是根据无纸记录仪的硬件功能编写或者修改相应的驱动程序,并根据需要重新剪裁内核模块,此处不再赘述。

 

　　记录仪的软件开发重点主要是应用程序的开发。根据系统功能的需要以及数据处理的流程,应用程序设计了两种运行模式:设置模式和工作模式。只要将模式选择开关拨向相应的一侧,就可以选择对应的运行模式。

 

　　4·1　设置模式

 

　　设置模式主要功能是通过串口设置记录仪工作模式下的一些工作参数,如:工作模式下串口工作参数、记录仪的IP地址、子网掩码、TCP工作端口、以及监控计算机的IP地址、TCP端口等。

 

　　4·2　工作模式

 

　　工作模式下应用程序按照设置模式下设置的工作参数初始化串口、网口和USB接口,然后收发各个接口的数据,并完成相互之间的数据转换,同时利用指示灯和蜂鸣器提示用户操作。因此在工作模式下应用程序主要由网络通信程序、串口数据处理程序和USB存储器识别及读写程序这三大部分组成。

 

　　(1)网络通信程序:每一个记录仪需要在设置模式下设定局域网内一个唯一的IP地址,然后采用TCP协议与监控计算机进行网络数据传输。记录仪作为TCP连接的服务器端,而监控主机作为TCP连接的客户端。当安装了虚拟串口驱动程序的监控计算机启动后,会根据绑定到虚拟串口的网络参数向对应的记录仪发起TCP连接请求。记录仪一直监听它的TCP工作端口,收到监控主机的连接请求后会做出回应并与监控计算机建立TCP连接。建立连接后,记录仪将每次接收到的网络数据解析出来,然后发送到串口数据发送缓冲区,串口驱动程序会自动将数据发送。网络数据处理流程见图5。

 

　　

 

　　(2)串口数据处理程序:记录仪接收到PLC发出的串口数据后,按照一定格式写入到记录仪NANDFLASH存储器中的数据保存文件,该数据文件可以通过USB接口导出到U盘中。如果记录仪已经与监控计算机建立了TCP连接,则将接收到的串口数据打包,加入TCP头和IP头,并由以太网接口模块送出。这样就实现了串口数据到网络数据的协议转换。图6是串口数据处理的流程图。

 

　　(3)USB闪存的检测、读写程序:AT91RM9200带有一个USB2·0全速主机端口,能够支持目前大多数的USB闪存。由于程序并不知道用户什么时候会插入USB存储器,所以USB闪存的检测程序每隔0·2s就要检测是否有USB闪存插入。在LINUX操作系统下,当检测到有USB闪存插入后,程序调用系统函数“mount”将USB闪存挂载到“/mnt/udisk/”目录上,这样就可以把保存在NAND FLASH中的数据文件拷贝到USB闪存。拷贝完成后,调用系统函数“umount”卸载USB闪存,并通过指示灯提示用户操作完成。

 

　　5　应用

 

　　目前,本文设计的无纸记录仪已经通过了重庆银河试验仪器有限公司6个月的不间断重复实验,成为银河试验仪器公司WG系列高温试验箱、HL系列低温试验箱以及WCD系列温度冲击试验箱等试验设备的标准配置之一。

 

　　6　结束语

 

　　本文介绍的无纸记录仪采用USB存储器保存试验数据和利用工业以太网将串口设备组网,充分发挥USB总线高速传输、热插拔、即插即用等优点,也解决了串口设备传输距离短、不便于组网的问题,不仅可以用来对已有的试验设备进行功能扩充和升级,而且可以提升试验设备产品竞争力。该方案具有存储量大、组网简单、可靠性高等特点,对于实现工业现场数据保存的无纸化和串口设备的网络互联具有一定的参考价值。