摘要:提出了一種采用USB存儲器保存試驗數據,可以通過以太網口將現場試驗設備組網的基于AT91RM9200芯片的嵌入式試驗設備無紙記錄儀,并詳細介紹了該記錄儀的工作原理、硬件電路及其抗干擾措施和軟件設計。
1 引言
目前環境試驗設備已經廣泛應用于民用、工業、以及國防等各個行業,環境試驗設備的種類也在不斷增加,如溫度沖擊試驗箱、干燥箱及生化箱、高低氣壓試驗箱等等。這些設備主要作用是為某些產品做特定的環境試驗,以達到檢測和鑒定的目的。當前大部分試驗設備的控制系統都由性能穩定、可靠性高的PLC來實現,同時配置微型打印機,用于記錄和打印試驗過程中的溫度、濕度、壓力等數據。現在一些大中型試驗設備已經配備了彩色觸摸屏系統,用來設置試驗參數、顯示運行狀況等,但是其試驗數據輸出的方式主要采用RS232或者RS485標準通信接口加微型打印機的方式[1]。
微型打印機內部機械活動部件較多,可靠性較差,容易出現機械故障,使用過程中還需要定期更換記錄紙,長期運行費用較高,而且打印的數據不利于輸入計算機進行分析,也不利于長期保存;采用RS232或RS485通信方式輸出數據不適應遠距離、大信息量的數據傳輸,也不便于現場設備的組網。因此筆者設計了一種具有通用性和網絡互聯功能的低成本無紙記錄儀。該記錄儀采用工業級嵌入式處理器AT91RM9200作為CPU,NAND FLASH保存試驗數據,可通過USB接口將數據導出到USB存儲器,也可以用10/100M以太網口將車間所有試驗設備組網,通過工業以太網上傳試驗數據,實現集中監控。
2 系統工作原理
USB具有高速度、熱插拔、易擴展、占用系統資源少等優點,廣泛應用在PC外設和便攜式系統中。無紙記錄儀采用USB存儲器導出試驗數據來取代微型打印機,可以降低設備運行成本,便于數據保存和采用相關軟件進行分析。
當車間有多臺試驗設備時,為了有效的對這些設備進行集中管理,就需要將這些設備通過組網的方式進行連接。隨著以太網的快速普及,工業以太網也已成為現場總線中的主流技術[2]。通過工業以太網實現網絡連接,可以解決RS232、RS485串口終端在傳輸距離和可靠性方面的局限性。記錄儀可以實現串口通信協議到TCP/IP網絡協議的透明轉換,把現有的RS232接口的數據轉化成IP端口的數據,然后進行IP化的管理, IP化的數據存取。這樣就能將傳統的串行數據通過工業以太網來傳輸,而無需過早淘汰原有的設備,從而提高了現有設備的利用率,節約了投資,還可在既有的網絡基礎上簡化布線復雜度。
而在監控主機端,通過開發相應的驅動程序后,可以將封裝到TCP/IP數據包里的串口數據取出,然后發送到監控主機上的一個虛擬串口。這樣就實現了這個虛擬串口與對應記錄儀連接的PLC串口的遠程映射,用戶可以直接編寫串口程序即可讀取遠端PLC數據,也可以直接使用原來的串口應用程序。采用這種方案既簡化了用戶編程,又便于系統升級和改造。系統結構如圖1所示。
3 硬件設計
大部分試驗設備箱內都有大電流繼電器的存在,它們的接通和斷開都會產生很強的電磁干擾。無紙記錄儀要能夠在試驗設備箱內長期穩定運行,就要選擇集成度高、穩定性好的工業級處理器,同時采用各種抗干擾措施來保證系統穩定可靠。本文設計選擇ATMEL公司基于ARM核的32位嵌入式工業級RISC處理器AT91RM9200作為無紙記錄儀的處理器。
AT91RM9200是ATMEL公司基于ARM920T內核的微型控制器,它是基于ARM/Thumb指令集的完整的片上系統,工作在180MHz頻率下的運算速度可高于200MIPS。具有豐富的硬件接口和軟件接口。同時它是工業級的產品,溫度特性優良,穩定性好,非常適合應用于工業現場控制場所[3, 4]。無紙記錄儀的硬件結構框圖如圖2所示,主要由AT91RM9200、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、RS232串口、USB2·0接口、10/100M自適應網絡接口、電源等模塊組成.
3·1 存儲系統
試驗設備箱無紙記錄儀的存儲系統由SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH存儲器組成。32M字節的SDRAM用來提供Linux操作系統和應用程序運行所需要的存儲空間; 4M字節的NOR FLASH用來存儲系統啟動代碼Bootloader、Linux內核和應用程序代碼; 64M字節的NANDFLASH則用來存儲PLC輸出的試驗數據。
AT91RM9200在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯,可方便地與SDRAM接口。SDRAM由兩片16位數據寬度的HY57V281620并聯為32位數據寬度的32MB SDRAM存儲系統,映射到AT91RM9200的NCS1,地址范圍是: 0x20000000–0x21FFFFFF。
NOR FLASH采用SST公司的SST39VF320芯片,該芯片容量為2M×16位,共4M字節,訪問速度70ns,映射到AT91RM9200的NCS0,地址范圍是:0x10000000-0x103FFFFF。
NAND FLASH采用三星公司的K9F1208,該芯片容量為64M字節,映射到AT91RM9200的NCS3,地址范圍是:0x40000000-0x43FFFFFF。
3·2 USB2·0接口設計
AT91RM9200自帶一個USB2·0全速主機口,用它來將保存在NAND FLASH中的試驗數據轉存到U盤中去。無紙記錄儀安裝在實驗設備箱內,通過一根USB屏蔽延長線連接到試驗設備箱的前面板上。由于實驗箱內存在嚴重的電磁干擾,會對U盤的讀寫產生影響,因此要在普通的全速USB2·0主機口設計上增加了抗干擾電路,電路圖如圖3所示。在圖中, L1、L2是muRata公司的片狀鐵氧體磁珠BLM21PG221SN1,用于高頻噪音的抑制。L3是muRata公司的片狀共模扼流線圈DLW21SN121SQ2。共模扼流線圈由兩根導線同方向繞在磁芯材料上,當共模電流通過時,共模抗流器會因磁通量疊加而產生高阻抗;當差模電流通過時,共模抗流器因磁通量互相抵消而產生較小阻抗。因此適用于高速差分信號線的共模噪聲抑制。D1、D2為靜電釋放抑制器。
3·3 以太網接口設計
AT91RM9200芯片集成了以太網MAC控制器,但是沒有提供物理層接口,因此需要外接一個DM9161物理層芯片來提供接入以太網的通道。在DM9161和RJ45接口間采用網絡隔離變壓器來實現信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等功能。DM9161的RX+/RX-、TX+/TX-接到網絡隔離變壓器上,再由變壓器引出相應信號連接到RJ45接口上,網絡模塊連接方式如圖3所示。
3·4 電源設計
電源的設計包括電源保護電路、電源濾波器、和電平轉換電路。主板電源包括+5V、+3·3 V和+1·8V。通過開關型集成穩壓芯片LM2576可以將試驗設備箱內+24V直流電源轉換成+5V,然后再使用LM1117-3·3和LM1117-1·8這兩款LDO芯片,將+5V轉換成為+3·3V和+1·8V直流電源。圖4是電源保護和電源濾波電路的電路圖。F1是自恢復保險絲,作過流保護;D1用來防止電源接反; C1、C2是差模濾波電容;C3、C4是共模濾波電容;L1是共模扼流線圈,主要用來濾除電源線上通過傳導或者輻射的方式產生的共模電流。
4 軟件設計
要實現無紙記錄儀所具備的功能需要同時運行多個任務,如串口數據的收發、保存試驗數據到U盤、網絡通信等等,這就要對多任務進行合理的調度;另外無紙記錄儀需要保存的數據較多,尤其是長時間試驗需要保存的數據,采用表或數組是不夠的,因此文件管理也是必不可少的一項功能。本文選擇功能和可靠性都很成熟的Linux-2·4·26內核版本以及針對91RM9200體系結構的補丁。給標準內核源代碼打上補丁后,該內核就可應用于AT91RM9200了,這就大大節省了產品開發時間。剩下的主要移植工作就是根據無紙記錄儀的硬件功能編寫或者修改相應的驅動程序,并根據需要重新剪裁內核模塊,此處不再贅述。
記錄儀的軟件開發重點主要是應用程序的開發。根據系統功能的需要以及數據處理的流程,應用程序設計了兩種運行模式:設置模式和工作模式。只要將模式選擇開關撥向相應的一側,就可以選擇對應的運行模式。
4·1 設置模式
設置模式主要功能是通過串口設置記錄儀工作模式下的一些工作參數,如:工作模式下串口工作參數、記錄儀的IP地址、子網掩碼、TCP工作端口、以及監控計算機的IP地址、TCP端口等。
4·2 工作模式
工作模式下應用程序按照設置模式下設置的工作參數初始化串口、網口和USB接口,然后收發各個接口的數據,并完成相互之間的數據轉換,同時利用指示燈和蜂鳴器提示用戶操作。因此在工作模式下應用程序主要由網絡通信程序、串口數據處理程序和USB存儲器識別及讀寫程序這三大部分組成。
(1)網絡通信程序:每一個記錄儀需要在設置模式下設定局域網內一個唯一的IP地址,然后采用TCP協議與監控計算機進行網絡數據傳輸。記錄儀作為TCP連接的服務器端,而監控主機作為TCP連接的客戶端。當安裝了虛擬串口驅動程序的監控計算機啟動后,會根據綁定到虛擬串口的網絡參數向對應的記錄儀發起TCP連接請求。記錄儀一直監聽它的TCP工作端口,收到監控主機的連接請求后會做出回應并與監控計算機建立TCP連接。建立連接后,記錄儀將每次接收到的網絡數據解析出來,然后發送到串口數據發送緩沖區,串口驅動程序會自動將數據發送。網絡數據處理流程見圖5。
(2)串口數據處理程序:記錄儀接收到PLC發出的串口數據后,按照一定格式寫入到記錄儀NANDFLASH存儲器中的數據保存文件,該數據文件可以通過USB接口導出到U盤中。如果記錄儀已經與監控計算機建立了TCP連接,則將接收到的串口數據打包,加入TCP頭和IP頭,并由以太網接口模塊送出。這樣就實現了串口數據到網絡數據的協議轉換。圖6是串口數據處理的流程圖。
(3)USB閃存的檢測、讀寫程序:AT91RM9200帶有一個USB2·0全速主機端口,能夠支持目前大多數的USB閃存。由于程序并不知道用戶什么時候會插入USB存儲器,所以USB閃存的檢測程序每隔0·2s就要檢測是否有USB閃存插入。在LINUX操作系統下,當檢測到有USB閃存插入后,程序調用系統函數“mount”將USB閃存掛載到“/mnt/udisk/”目錄上,這樣就可以把保存在NAND FLASH中的數據文件拷貝到USB閃存。拷貝完成后,調用系統函數“umount”卸載USB閃存,并通過指示燈提示用戶操作完成。
5 應用
目前,本文設計的無紙記錄儀已經通過了重慶銀河試驗儀器有限公司6個月的不間斷重復實驗,成為銀河試驗儀器公司WG系列高溫試驗箱、HL系列低溫試驗箱以及WCD系列溫度沖擊試驗箱等試驗設備的標準配置之一。
6 結束語
本文介紹的無紙記錄儀采用USB存儲器保存試驗數據和利用工業以太網將串口設備組網,充分發揮USB總線高速傳輸、熱插拔、即插即用等優點,也解決了串口設備傳輸距離短、不便于組網的問題,不僅可以用來對已有的試驗設備進行功能擴充和升級,而且可以提升試驗設備產品競爭力。該方案具有存儲量大、組網簡單、可靠性高等特點,對于實現工業現場數據保存的無紙化和串口設備的網絡互聯具有一定的參考價值。