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   張強 

福建順昌虹潤精密儀器有限公司

引言

       隨著計算機技術(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人機界面、強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能等特點，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：采集板為獨立的工作機制，核心是由獨立的CPU(MSC1210)完成對現(xiàn)場信號的采集,外部執(zhí)行機構(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，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現(xiàn)，目的是為了保證采集板在接到主機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接口與主機板連接，可通過四根線實現(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，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二極管。為保證機和從機正常的傳送數(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(jù)指令報文中功能碼做出應(yīng)答或動作，每個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頭的，從機只讀取發(fā)給自己的指令，對以其它從機開頭的報文不做應(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。

       軟件采用兩點校準(zhǔn)法實現(xiàn)，其中校準(zhǔn)點數(shù)越多，觸摸屏數(shù)據(jù)越精確。

       兩點校準(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)的交叉點即為校準(zhǔn)點。軟件算法實現(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，如果觸摸點明顯偏離十字叉的中心，則程序為要求重新校準(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）?？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：繼電器常開觸點輸出，觸點容量1A/250VAC（阻性負(fù)載）

               （！注：當(dāng)負(fù)載超過繼電器觸點容量時，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)運算模式實現(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，輸入兩點分別為1V和4V，每個點取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(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。