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)置存儲器保護單元能夠?qū)崿F(xiàn)高達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、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)備進行操作，這樣一來系統(tǒng)軟件的層次分明，便于維護和調(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撲結(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。

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

       兩點校準法方法如下：

       在觸摸屏的左上角和右下角分別顯示兩個校準圖標（長為20的十字光標）,十字光標的交叉點即為校準點。軟件算法實現(xiàn)為程序第一次啟動時將會進入校準模式，出現(xiàn)左上角的十字光標，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。

       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：繼電器常開觸點輸出，觸點容量1A/250VAC（阻性負載）

               （！注：當(dāng)負載超過繼電器觸點容量時，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(shè)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(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，曲線時標變更等

       數(shù)據(jù)備份

       支持U盤和SD卡進行數(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。