觸摸式無紙記錄儀的設計原理及信號測試技術

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

       隨著計算機技術的飛速發展，儀器儀表也不斷更新換代，使記錄儀徹底擺脫了經典的機械記錄方式，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、簡便靈活的設置、友好的HMI人機界面、強大的網絡通訊功能等特點，必將代替老式的走紙記錄儀。

       目前國內外開發生產觸摸式無紙記錄儀的廠家日益增多，國內有浙大中控、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，計算機技術產生了迅猛發展，新的硬件設備層出不窮，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，再發展到現在的一千兆赫，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到現在的128MB,另外液晶顯示器也從原來的單色液晶顯示到現在的TFT真彩LED顯示。

       觸摸式無紙記錄儀廠家通過開發各自的DTM數據管理軟件來管理觸摸式無紙記錄儀的數據存儲，這種強大的管理軟件的性能現已接近于組態軟件功能。通過強大的網絡通訊平臺，使多臺觸摸式無紙記錄儀聯網，從文件服務器（FTP）上能管理和監視觸摸式無紙記錄儀的數據和運行情況。NHR8000系列虹潤觸摸式無紙記錄儀配置TCP/IP協議，通過調制解調器，觸摸式無紙記錄儀進入因特網，即觸摸式無紙記錄儀可通過因特網隨時看到產品的工作情況，實現產品的數據交換。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圖

       觸摸式無紙記錄儀總體架構見圖1。

       觸摸式無紙記錄儀主要由主板、按鍵板、數據采集板、開關量輸入、輸出板、液晶屏、觸摸屏、液晶驅動板、電源板、轉接公共板等組成。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接口連接到轉接板，再通過轉接板和各采集板和開關量輸入輸出板連接，構成了多個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。

       它分為數據采集控制單元和圖形操作單元。

       數據采集控制單元由數據采集板、開關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。

       數據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)完成對現場信號的采集,外部執行機構的控制由主板發送指令報文完成。

       圖形操作單元的作用：接收數據采集控制單元發過來的數據，完成對數據進行處理、顯示和存儲等功能，通過按鍵面板實現對畫面的組態。

       采集板的總體框架圖見圖2。

       數據采集板能實現：12路萬能信號輸入，數據采集板采用MSC1210芯片作為微處理器，主要外圍電路包括信號調理電路、信號放大電路、信號轉換電路、通訊電路、撥碼開關組成開關量輸入、輸出電路。

       數據采集板由撥碼開關組成的開關量輸入、輸出模塊，通過撥碼開關的不同組合來定義從機的地址。數據的采集將模擬信號轉換成數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、電阻和信號保護調理電路組成。通過采集板的微處理器控制光耦開閉，實現不同傳感器信號的轉換。

       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備組成觸摸式無紙記錄儀，原理框圖見圖3。

       4   系統組成部分 

       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，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,自適應實時加速器可以讓程序在FLASH中以最高128MHz頻率執行時，能夠實現零等待狀態的運行性能，內置存儲器保護單元能夠實現高達150DMIPS/1.25DMIPS/MHz性能。該器件擁有512字節的動態口令存儲器，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內核單片機，它擁有33MHz的時鐘周期，8路24位高精度∑-△A/D轉換器，Flash存儲器等。

       4.3  存儲器設備

       觸摸式無紙記錄儀存儲器設備有EPROM，EEPROM，鐵電存儲器FRAM和內部Flash、RAM構成。EPROM主要用于存儲程序，其中還有一些區域是用來存儲系統參數，RAM用來存儲工作數據（模擬輸入數據）以及CPU操作過程中所需要的指針和數據，工作參數和配置參數也存在RAM中，正常操作時從RAM調用，一些重要的參數配置參數存儲在EEPROM中，一旦掉電把EEPROM中的參數調入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、定時中斷的設置和系統變量初始化，然后讀取撥碼開關的狀態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的采集子程序，將采集數據子程序放在串口中斷里實現，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據刷新速度。采集子程序會調用相關的模塊函數，并把這些數據放到相應的RAM中。

       4.5.2采集板驅動程序部分

       采集板驅動程序設計見圖5

       采集板數據驅動程序包括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，采用模塊化結構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，在程序中只需要調用各公共的接口函數就能對設備進行操作，這樣一來系統軟件的層次分明，便于維護和調試。

       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

       主機發送DA配置報文，通過調用DA輸出通道配置函數配置電壓值，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。通過調用DA通道配置接口函數和輸出函數完成各輸出數據的同時更新。

       4.5.5 數據通訊模塊程序部分

       數據通訊模塊程序設計見圖8。

       數據通訊模塊程序包含串口通信初始化函數、串口單字節數據發送函數、串口多字節數據發送函數等，在串口接到主機發來的地址幀數據時候就會引發中斷，轉到串口接收中斷程序中執行。根據接收到的報文數據，串口接收中斷程序會做出應答和動作。在主程序執行初始化時調用串口通信初始化函數，選擇串行通信接口模式，使串口接收器處于待機狀態。當串口接收到數據時候會引發串口中斷，執行串口中斷程序。

       4.5.6開關量輸入板的驅動程序部分

       開關量輸入板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或門等實現開關量的檢測輸入，開關量輸入板驅動程序見圖8。

       開關量輸入板程序包含端口讀取函數、串口通信初始化函數、串口單字節數據發送函數、串口多字節數據發送函數等，開關量輸入板實際上是對微處理器的端口進行讀取操作，調用接口函數就可以讀取開關量狀態。

       4.5.7開關量輸出板的驅動程序部分

       開關量輸出板包含光耦隔離電路、譯碼器、鎖存器、或非門、大功率驅動芯片等實現對繼電器的控制。開關量輸出板驅動見圖9。

       開關量輸出板程序包含端口寫函數、串口通信初始化函數、串口單字節數據發送函數、串口多字節數據發送函數等，開關量輸入板實際上是對微處理器的端口進行設置輸出，調用接口函數就可以設置開關量輸出。

       4.5.8按鍵面板設計程序部分

       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，可通過四根線實現通信。

       按鍵面板的軟件設計見圖10。

       按鍵延遲0.5S后向主板發送0XAA通知主板。開總中斷、外部中斷，設置中斷觸發模式，將時鐘線、數據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，發送相應的碼。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，再看數據線是否為低，為低則表明主板在請求發送數據，根據主板發來的指令作出相應的應答和動作。

       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場的通訊的可靠和系統的安全，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，實現系統的全隔離。通訊部分電源由開關電源提供，避免了接地環路問題。

       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構，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據，需要有一套完整的信息傳輸模式，數據格式以及內容的規約協議。主機向所有從機發送帶地址信息的指令報文，被尋址從機根據指令報文中功能碼做出應答或動作，每個從機都有各自的獨立的地址，主機向從機發送的各種指令報文和從機所發的報文都是以從機的地址為開頭的，從機只讀取發給自己的指令，對以其它從機開頭的報文不做應答。

       4.5.10鍵盤輸入及電路部分

       鍵盤是另外一個交互設備，一般是用來給用戶輸入信息，包括設置儀表參數，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據，CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數據，然后完成響應的操作。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、區分不同的操作類型。

       4.5.11 觸摸校準技術

       觸摸式無紙記錄儀表選用的是電阻壓力型觸摸屏，通過壓力感應來完成硬件觸摸。

       軟件采用兩點校準法實現，其中校準點數越多，觸摸屏數據越精確。

       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。軟件算法實現為程序第一次啟動時將會進入校準模式，出現左上角的十字光標，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（可組態選擇輸入：標準電壓、標準電流、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參數見表1。

       表1  NHR系列觸摸式無紙記錄儀技術參數

       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可設置，采用標準MODBUS RTU通訊協議，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）

       綜合參數

       測量精度

       0.2%FS±1d

       采樣周期

       1秒

       設定方式

       面板輕觸式按鍵設定；參數設定值密碼鎖定；設定值斷電永久保存。

       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。

       顯示內容可由漢字，數字，過程曲線，棒圖等組成，通過面板按鍵可完成畫面翻頁，歷史數據前后搜索，曲線時標變更等

       數據備份

       支持U盤和SD卡進行數據備份與轉存，最大容量為8GB，支持FAT、FAT32格式

       存儲容量

       內部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：通道數的計算：程序將通道數劃分為4、8、16、32、64五檔，當儀表通道數落在兩檔之間時，以大的數作為計算的通道數。例如：儀表通道數是12路，公式中通道數以16計算）

       6、其它功能介紹

       6.1 觸摸式無紙記錄儀數據保密功能

       觸摸式無紙記錄儀數據的存儲以二進制的形式實現，只有通過注冊用戶才能訪問觸摸式無紙記錄儀生成的數據，每組歷史數據以文件的形式生成，需要通過數據管理軟件打開。

       6.2觸摸式無紙記錄儀安全訪問

       安全訪問需要通過設置登入口令來完成，查看實時數據、歷史數據、報警事件不需要通過登入口令來實現，如果需要配置參數和組態則需要輸入口令，這樣確保用戶數據和配置參數的安全性。

       6.3觸摸式無紙記錄儀數據安全

       數據最初保存在內存中，定期將此數據傳輸到可移動的存儲媒體中(sd卡等)，也可以通過網絡通訊功能將實時數據傳輸給文件服務器，從而增加數據的安全性。

       6.4觸摸式無紙記錄儀軟件組態功能

       觸摸式無紙記錄儀可通過設定數學運算模式實現流量測量功能和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，建立數學模型y=mx+b,算出m和b的值，然后在分別輸入1-4V每個點所對應的信號值，算出精度。其中x為AD轉換的數字量，y為實測值。

       7.2電流信號測試

       電流測試可建立數學模型y=(10/6669113)x-0.001419其中x為AD轉換的數字量，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學模型y=0.396x×10-5-259.74其中x為AD轉換的數字量，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系，需要應用拉格郎日插值法進行數學處理，采集每個溫度點通過數學處理方法算出采集20次的AD數字量，然后轉換成電勢值，再用拉格郎日插值法算出對應的實際溫度值。

       8、結束語

       考慮到將觸摸式無紙記錄儀表取代小型的控制系統應用于流程工業、設備配套、機械包裝等行業中，要求在圖形畫面上做出更多的動態對象，需要嵌入更多復雜的操作系統，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下增加觸摸式顯示很操作。另外隨著物聯網技術的發展，要求越來越多的帶有數據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，我相信關于觸摸式無紙記錄儀的應用將具備廣闊的市場前景。