發(fā)布者:虹潤集團(tuán)
觸摸式無紙記錄儀的設(shè)計原理及信號測試技術(shù)
卞堅斌 林善平 陳志揚(yáng) 張強(qiáng)
福建順昌虹潤精密儀器有限公司
引言
隨著計算機(jī)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(jī)械記錄方式,進(jìn)入全新的觸摸式無紙時代,觸摸式無紙記錄儀具有清晰醒目的顯示畫面、豐富多樣的顯示方式、簡便靈活的設(shè)置、友好的HMI人機(jī)界面、強(qiáng)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(nèi)外開發(fā)生產(chǎn)觸摸式無紙記錄儀的廠家日益增多,國內(nèi)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(jì)90年代起,計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生了迅猛發(fā)展,新的硬件設(shè)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(xiàn)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的64KB到現(xiàn)在的128MB,另外液晶顯示器也從原來的單色液晶顯示到現(xiàn)在的TFT真彩LED顯示。
觸摸式無紙記錄儀廠家通過開發(fā)各自的DTM數(shù)據(jù)管理軟件來管理觸摸式無紙記錄儀的數(shù)據(jù)存儲,這種強(qiáng)大的管理軟件的性能現(xiàn)已接近于組態(tài)軟件功能。通過強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊平臺,使多臺觸摸式無紙記錄儀聯(lián)網(wǎng),從文件服務(wù)器(FTP)上能管理和監(jiān)視觸摸式無紙記錄儀的數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況。NHR8000系列虹潤觸摸式無紙記錄儀配置TCP/IP協(xié)議,通過調(diào)制解調(diào)器,觸摸式無紙記錄儀進(jìn)入因特網(wǎng),即觸摸式無紙記錄儀可通過因特網(wǎng)隨時看到產(chǎn)品的工作情況,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交換。下面介紹觸摸式無紙記錄儀的工作原理、組成及其信號測試。
2觸摸式無紙記錄儀總體架構(gòu)圖
觸摸式無紙記錄儀總體架構(gòu)見圖1。
觸摸式無紙記錄儀主要由主板、按鍵板、數(shù)據(jù)采集板、開關(guān)量輸入、輸出板、液晶屏、觸摸屏、液晶驅(qū)動板、電源板、轉(zhuǎn)接公共板等組成。按鍵面板通過PS/2接口與主板連接,LCD通過TFT接口與主板連接,主板的RS232接口連接到轉(zhuǎn)接板,再通過轉(zhuǎn)接板和各采集板和開關(guān)量輸入輸出板連接,構(gòu)成了多個RS232通信電路。
觸摸式無紙記錄儀操作單元主要分為兩個組成部分。
它分為數(shù)據(jù)采集控制單元和圖形操作單元。
數(shù)據(jù)采集控制單元由數(shù)據(jù)采集板、開關(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(shù)據(jù)采集控制單元的作用:采集板為獨(dú)立的工作機(jī)制,核心是由獨(dú)立的CPU(MSC1210)完成對現(xiàn)場信號的采集,外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shù)據(jù)采集控制單元發(fā)過來的數(shù)據(jù),完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲等功能,通過按鍵面板實(shí)現(xiàn)對畫面的組態(tài)。
采集板的總體框架圖見圖2。
數(shù)據(jù)采集板能實(shí)現(xiàn):12路萬能信號輸入,數(shù)據(jù)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(diào)理電路、信號放大電路、信號轉(zhuǎn)換電路、通訊電路、撥碼開關(guān)組成開關(guān)量輸入、輸出電路。
數(shù)據(jù)采集板由撥碼開關(guān)組成的開關(guān)量輸入、輸出模塊,通過撥碼開關(guān)的不同組合來定義從機(jī)的地址。數(shù)據(jù)的采集將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(yùn)放、電阻和信號保護(hù)調(diào)理電路組成。通過采集板的微處理器控制光耦開閉,實(shí)現(xiàn)不同傳感器信號的轉(zhuǎn)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觸摸式無紙記錄儀設(shè)計原理框圖
NHR8000系列觸摸式無紙記錄儀以STM32F207的ARM處理器為核心,加上存儲器和輸入輸出設(shè)備組成觸摸式無紙記錄儀,原理框圖見圖3。
4 系統(tǒng)組成部分
4.1主機(jī)板中央控制器
中央控制單元作為觸摸式無紙記錄儀的核心,主要完成觸摸式無紙記錄儀的控制,運(yùn)算,顯示,通訊等功能;觸摸式無紙記錄儀中央處理器采用基于ARM內(nèi)核的32位MCU,150DMIPs,高達(dá)1MB的FLASH/128+4KB RAM ,USB ON-The-Go Full-speed/High-speed ,以太網(wǎng),17Tims,3ADCS,15個通信攝像頭接口功能的STM32F207處理器。使用ARM 32位cortex-M3CPU,自適應(yīng)實(shí)時加速器可以讓程序在FLASH中以最高128MHz頻率執(zhí)行時,能夠?qū)崿F(xiàn)零等待狀態(tài)的運(yùn)行性能,內(nèi)置存儲器保護(hù)單元能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)150DMIPS/1.25DMIPS/MHz性能。該器件擁有512字節(jié)的動態(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模式時鐘、復(fù)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紙記錄儀信號采集的核心,主要完成觸摸式無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(nèi)核單片機(jī),它擁有33MHz的時鐘周期,8路24位高精度∑-△A/D轉(zhuǎn)換器,F(xiàn)lash存儲器等。
4.3 存儲器設(shè)備
觸摸式無紙記錄儀存儲器設(shè)備有EPROM,EEPROM,鐵電存儲器FRAM和內(nèi)部Flash、RAM構(gòu)成。EPROM主要用于存儲程序,其中還有一些區(qū)域是用來存儲系統(tǒng)參數(shù),RAM用來存儲工作數(shù)據(jù)(模擬輸入數(shù)據(jù))以及CPU操作過程中所需要的指針和數(shù)據(jù),工作參數(shù)和配置參數(shù)也存在RAM中,正常操作時從RAM調(diào)用,一些重要的參數(shù)配置參數(shù)存儲在EEPROM中,一旦掉電把EEPROM中的參數(shù)調(diào)入RAM中,觸摸式無紙記錄儀使用的EEPROM為鐵電存儲器FRAM。
4.4 顯示屏和觸摸屏
顯示屏是交互設(shè)備的主體,能提供足夠的信息量,便于用戶的操作,
具有易讀性和易操作性。觸摸式無紙記錄儀采用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圖6。
主程序通過初始化函數(shù)完成對微處理器時鐘頻率配置、串口初始化、AD芯片校準(zhǔn)、定時中斷的設(shè)置和系統(tǒng)變量初始化,然后讀取撥碼開關(guān)的狀態(tài)來獲取采集板的地址并把這個信息存入RAM中,每塊采集板都有各自的地址,在與主機(jī)板通信時候,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(yīng)的采集子程序,將采集數(shù)據(jù)子程序放在串口中斷里實(shí)現(xiàn),目的是為了保證采集板在接到主機(jī)取指命令時直接采集最新程序,這樣可提高觸摸式無紙記錄儀的數(shù)據(jù)刷新速度。采集子程序會調(diào)用相關(guān)的模塊函數(shù),并把這些數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的RAM中。
4.5.2采集板驅(qū)動程序部分
采集板驅(qū)動程序設(shè)計見圖5
采集板數(shù)據(jù)驅(qū)動程序包括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(jié)構(gòu)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(diào)用各公共的接口函數(shù)就能對設(shè)備進(jìn)行操作,這樣一來系統(tǒng)軟件的層次分明,便于維護(hù)和調(diào)試。
4.5.3 AD采集程序部分
AD采集程序見圖7。
4.5.4 DA輸出程序部分
主機(jī)發(fā)送DA配置報文,通過調(diào)用DA輸出通道配置函數(shù)配置電壓值,DA采用三線制串行接口通信方式,通過串行接口線配置16位輸入移位寄存器。通過調(diào)用DA通道配置接口函數(shù)和輸出函數(shù)完成各輸出數(shù)據(jù)的同時更新。
4.5.5 數(shù)據(jù)通訊模塊程序部分
數(shù)據(jù)通訊模塊程序設(shè)計見圖8。
數(shù)據(jù)通訊模塊程序包含串口通信初始化函數(shù)、串口單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、串口多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)等,在串口接到主機(jī)發(fā)來的地址幀數(shù)據(jù)時候就會引發(fā)中斷,轉(zhuǎn)到串口接收中斷程序中執(zhí)行。根據(jù)接收到的報文數(shù)據(jù),串口接收中斷程序會做出應(yīng)答和動作。在主程序執(zhí)行初始化時調(diào)用串口通信初始化函數(shù),選擇串行通信接口模式,使串口接收器處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時候會引發(fā)串口中斷,執(zhí)行串口中斷程序。
4.5.6開關(guān)量輸入板的驅(qū)動程序部分
開關(guān)量輸入板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或門等實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的檢測輸入,開關(guān)量輸入板驅(qū)動程序見圖8。
開關(guān)量輸入板程序包含端口讀取函數(shù)、串口通信初始化函數(shù)、串口單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、串口多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)等,開關(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(diào)用接口函數(shù)就可以讀取開關(guān)量狀態(tài)。
4.5.7開關(guān)量輸出板的驅(qū)動程序部分
開關(guān)量輸出板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或非門、大功率驅(qū)動芯片等實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制。開關(guān)量輸出板驅(qū)動見圖9。
開關(guān)量輸出板程序包含端口寫函數(shù)、串口通信初始化函數(shù)、串口單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、串口多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)等,開關(guān)量輸入板實(shí)際上是對微處理器的端口進(jìn)行設(shè)置輸出,調(diào)用接口函數(shù)就可以設(shè)置開關(guān)量輸出。
4.5.8按鍵面板設(shè)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PS/2接口與主機(jī)板連接,可通過四根線實(shí)現(xiàn)通信。
按鍵面板的軟件設(shè)計見圖10。
按鍵延遲0.5S后向主板發(fā)送0XAA通知主板。開總中斷、外部中斷,設(shè)置中斷觸發(fā)模式,將時鐘線、數(shù)據(jù)線連在微處理器的中斷引腳上,掃描鍵盤,看是否有按鍵按下,確定按鍵的位置,發(fā)送相應(yīng)的碼。判斷時鐘線是否為低電平,如是則延時100US再判斷時鐘線是否為低,等待時鐘釋放,再看數(shù)據(jù)線是否為低,為低則表明主板在請求發(fā)送數(shù)據(jù),根據(jù)主板發(fā)來的指令作出相應(yīng)的應(yīng)答和動作。
4.5.9 主機(jī)板和采集板之間的通訊電路部分
為保證觸摸式無紙記錄儀在實(shí)際現(xiàn)場的通訊的可靠和系統(tǒng)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光耦隔離,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全隔離。通訊部分電源由開關(guān)電源提供,避免了接地環(huán)路問題。
主機(jī)板和采集板之間的通訊見圖4。
主控制板與采集板之間的通信電路采用主從總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以主控制板為主機(jī),采集板為從機(jī),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(jī)的發(fā)送端和主機(jī)的接收端之間串入一個二極管。為保證機(jī)和從機(jī)正常的傳送數(shù)據(jù),需要有一套完整的信息傳輸模式,數(shù)據(jù)格式以及內(nèi)容的規(guī)約協(xié)議。主機(jī)向所有從機(jī)發(fā)送帶地址信息的指令報文,被尋址從機(jī)根據(jù)指令報文中功能碼做出應(yīng)答或動作,每個從機(jī)都有各自的獨(dú)立的地址,主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的各種指令報文和從機(jī)所發(fā)的報文都是以從機(jī)的地址為開頭的,從機(jī)只讀取發(fā)給自己的指令,對以其它從機(jī)開頭的報文不做應(yīng)答。
4.5.10鍵盤輸入及電路部分
鍵盤是另外一個交互設(shè)備,一般是用來給用戶輸入信息,包括設(shè)置儀表參數(shù),校準(zhǔn)儀表輸入輸出信號等。觸摸式無紙記錄儀采用一顆按鍵掃描芯片,可通過串行通信的方式讀取芯片數(shù)據(jù),CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數(shù)據(jù),然后完成響應(yīng)的操作。觸摸式無紙記錄儀的鍵盤操作分一般操作員操作和工程師操作,通過不同的按鍵組合和密碼來限制、區(qū)分不同的操作類型。
4.5.11 觸摸校準(zhǔn)技術(shù)
觸摸式無紙記錄儀表選用的是電阻壓力型觸摸屏,通過壓力感應(yīng)來完成硬件觸摸。
軟件采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn),其中校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)越多,觸摸屏數(shù)據(jù)越精確。
兩點(diǎn)校準(zhǔn)法方法如下:
在觸摸屏的左上角和右下角分別顯示兩個校準(zhǔn)圖標(biāo)(長為20的十字光標(biāo)),十字光標(biāo)的交叉點(diǎn)即為校準(zhǔn)點(diǎn)。軟件算法實(shí)現(xiàn)為程序第一次啟動時將會進(jìn)入校準(zhǔn)模式,出現(xiàn)左上角的十字光標(biāo),請用戶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?yàn)橐笾匦滦?zhǔn)。
5、NHR系列觸摸式無紙記錄儀
NHR-8100/8700系列彩色觸摸式無紙記錄儀萬能輸入(可組態(tài)選擇輸入:標(biāo)準(zhǔn)電壓、標(biāo)準(zhǔn)電流、熱電偶、熱電阻、毫伏等)。可帶18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(jī)接口和USB接口,SD卡插座;可提供傳感器配電;具有強(qiáng)大的顯示功能,實(shí)時曲線顯示,歷史曲線追憶,棒圖顯示,報警列表顯示等。
NHR系列觸摸式無紙記錄儀的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 NHR系列觸摸式無紙記錄儀技術(shù)參數(shù)
測量輸入
輸入信號
電 流:0~20mA、0~10mA、4~20mA、0~10mA開方、4~20mA開方
電 壓:0~5V、1~5V、0~10V、±5V、0~5V開方、1~5V開方、0~20 mV、
0~100mV、±20mV、±100mV
熱 電 阻:Pt100、Cu50、Cu53、Cu100、BA1、BA2
線性電阻: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(fù)載電阻≤380Ω)、0~20mA(負(fù)載電阻≤380Ω)、0~10mA(負(fù)載電阻≤760Ω)、1~5V(負(fù)載電阻≥250KΩ)、0~5V(負(fù)載電阻≥250KΩ)、0~10V(負(fù)載電阻≥10KΩ)
報警輸出:繼電器常開觸點(diǎn)輸出,觸點(diǎn)容量1A/250VAC(阻性負(fù)載)
(!注:當(dāng)負(fù)載超過繼電器觸點(diǎn)容量時,請不要直接帶負(fù)載)
饋電輸出:DC24V±1,負(fù)載電流≤250mA
通訊輸出:RS485/RS232通訊接口,波特率1200~57600bps可設(shè)置,采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通訊協(xié)議,RS-485通訊距離可達(dá)1公里;RS-232通訊距離可達(dá)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(shù)
測量精度
0.2%FS±1d
采樣周期
1秒
設(shè)定方式
面板輕觸式按鍵設(shè)定;參數(shù)設(shè)定值密碼鎖定;設(shè)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、畫面清晰、寬視角。
顯示內(nèi)容可由漢字,數(shù)字,過程曲線,棒圖等組成,通過面板按鍵可完成畫面翻頁,歷史數(shù)據(jù)前后搜索,曲線時標(biāo)變更等
數(shù)據(jù)備份
支持U盤和SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)備份與轉(zhuǎn)存,最大容量為8GB,支持FAT、FAT32格式
存儲容量
內(nèi)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。
存儲長度(不斷電連續(xù)記錄)
24天(間隔1秒時)—5825天(間隔240秒時)
計算公式:記錄時間(天)=
(!注:通道數(shù)的計算:程序?qū)⑼ǖ罃?shù)劃分為4、8、16、32、64五檔,當(dāng)儀表通道數(shù)落在兩檔之間時,以大的數(shù)作為計算的通道數(shù)。例如:儀表通道數(shù)是12路,公式中通道數(shù)以16計算)
6、其它功能介紹
6.1 觸摸式無紙記錄儀數(shù)據(jù)保密功能
觸摸式無紙記錄儀數(shù)據(jù)的存儲以二進(jìn)制的形式實(shí)現(xiàn),只有通過注冊用戶才能訪問觸摸式無紙記錄儀生成的數(shù)據(jù),每組歷史數(shù)據(jù)以文件的形式生成,需要通過數(shù)據(jù)管理軟件打開。
6.2觸摸式無紙記錄儀安全訪問
安全訪問需要通過設(shè)置登入口令來完成,查看實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警事件不需要通過登入口令來實(shí)現(xiàn),如果需要配置參數(shù)和組態(tài)則需要輸入口令,這樣確保用戶數(shù)據(jù)和配置參數(shù)的安全性。
6.3觸摸式無紙記錄儀數(shù)據(jù)安全
數(shù)據(jù)最初保存在內(nèi)存中,定期將此數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇梢苿拥拇鎯γ襟w中(sd卡等),也可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊功能將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸給文件服務(wù)器,從而增加數(shù)據(jù)的安全性。
6.4觸摸式無紙記錄儀軟件組態(tài)功能
觸摸式無紙記錄儀可通過設(shè)定數(shù)學(xué)運(yùn)算模式實(shí)現(xiàn)流量測量功能和PID控制功能。
7 觸摸式無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,每個點(diǎn)取20次平均值,建立數(shù)學(xué)模型y=mx+b,算出m和b的值,然后在分別輸入1-4V每個點(diǎn)所對應(yīng)的信號值,算出精度。其中x為AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量,y為實(shí)測值。
7.2電流信號測試
電流測試可建立數(shù)學(xué)模型y=(10/6669113)x-0.001419其中x為AD轉(zhuǎn)換的數(shù)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(shù)學(xué)模型y=0.396x×10-5-259.74其中x為AD轉(zhuǎn)換的數(shù)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性傳感器,MV信號與溫度呈非線性關(guān)系,需要應(yīng)用拉格郎日插值法進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,采集每個溫度點(diǎn)通過數(shù)學(xué)處理方法算出采集20次的AD數(shù)字量,然后轉(zhuǎn)換成電勢值,再用拉格郎日插值法算出對應(yīng)的實(shí)際溫度值。
8、結(jié)束語
考慮到將觸摸式無紙記錄儀表取代小型的控制系統(tǒng)應(yīng)用于流程工業(yè)、設(shè)備配套、機(jī)械包裝等行業(yè)中,要求在圖形畫面上做出更多的動態(tài)對象,需要嵌入更多復(fù)雜的操作系統(tǒng),這樣一來對于主機(jī)板的配置的要求更為重要,需要選擇運(yùn)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(tǒng)下增加觸摸式顯示很操作。另外隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,要求越來越多的帶有數(shù)據(jù)采集的觸摸式無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)于觸摸式無紙記錄儀的應(yīng)用將具備廣闊的市場前景。
咨詢電話 0599-7821390
商務(wù)郵箱 hrgs@hrgs.com.cn
直接掃碼
虹潤微信客服
虹潤官方微信
fjhongrun