海纜生產數據采集系統的集中器設計與實現

陳秀秀，張小美，楊永杰，許 鵬

（南通大學 電子信息學院，江蘇 南通226019）

0 引 言

海纜生產過程中所需的生產設備較多、傳輸的信息量較大，常常受到電磁和信道傳輸等干擾，導致海纜生產線上數據采集與傳輸過程中出現數據傳輸不穩(wěn)定和易受干擾等問題，因此管理人員無法準確查看前端各生產線的數據信息。目前，國內外針對海纜生產數據采集與管理系統暫時沒有提出一套完整的設計方案，本文提出海纜生產數據采集系統的集中器設計方案。本設計的創(chuàng)新點在于硬件上采用了基于ARM 公司推出的Cortex－M4F構架設計的器件TM4C123為主控芯片，同時軟件設計上對數據傳輸采用相關算法處理，有效避免了數據傳輸不穩(wěn)定和易受干擾等問題，并應用嵌入式以太網技術，管理人員可以通過客戶端瀏覽器查看海纜生產信息并進行相關操作，實現了系統的智能遠程監(jiān)控。現場測試結果表明，該生產數據采集系統的集中器具有數據傳輸抗干擾和智能遠程監(jiān)控等優(yōu)點，可應用于工業(yè)生產、儀表數據采集和能源管理等領域，具有廣泛的應用前景和推廣價值。

1 海纜生產數據采集系統

由于海纜車間范圍大，在數據采集和傳輸時若全部使用WIFI覆蓋比較困難，在所有生產線上架設有線網絡成本又太高，傳統的采集系統只能獲取部分關鍵生產線信息，無法獲取所有信息。鑒于上述情況，在原系統中加入集中器的設計以更好的完成數據的傳輸，本采集系統采用 “三層構架”，如圖1所示。

圖1 海纜生產數據采集系統結構框架

（1）采集層：每個采集器通過RS485通信或者傳感器等方式實時采集每條生產線上的數據信息，如該條生產線上使用的材料、工藝和轉速等。其中，每3 個采集器對應一個集中器進行數據傳輸，采集器采集完數據進行相關處理之后，根據集中器發(fā)送過來的間隔采集指令每隔10 min以無線通信的方式向相應的集中器傳輸數據 （為避免干擾，每相鄰的采集器之間相互間隔一分鐘發(fā)送），或根據實時傳輸指令向集中器發(fā)送實時數據。

（2）傳輸層：每個集中器放置于每個生產車間內，集中器將采集器發(fā)送過來的數據經校驗無誤之后，存入SD卡，并以有線通信的方式向服務器或管理中心發(fā)送數據。此外，集中器上還配有TFTLCD 液晶顯示屏幕，按鍵等模塊，為現場工作人員查看信息提供了良好的人機交互界面。

（3）管理層：將集中器、服務器和管理中心構建于一個局域網內，為其中每臺設備配置IP地址，這樣管理人員就可以通過任意瀏覽器輸入服務器IP地址，登陸客戶端瀏覽器查看集中器發(fā)送過來的數據 （集中器每10min通過局域網將數據發(fā)送至服務器），監(jiān)控每條生產線的海纜生產情況，或者根據生產需要直接訪問嵌入式WEB服務器 （即集中器）查看實時數據，實現了數據采集系統的智能遠程監(jiān)控。

2 集中器的硬件設計

海纜生產數據采集系統的集中器位于本系統的傳輸層，負責收集采集層數據并將其發(fā)送至管理層服務器或管理中心，可見集中器在整個系統中發(fā)揮著關鍵作用，其主要包括：TM4C123主控制單元模塊、液晶顯示模塊、網絡傳輸模塊和無線通信模塊等，如圖2所示。

圖2 集中器的硬件結構框架

其中，液晶顯示模塊選用驅動芯片為RM68042 的ALIENTEK3.5寸TFTLCD 觸摸屏，該模塊與主控芯片的普通I／O 口連接即可，在觸摸屏上設置了 “清屏”和 “查看”按鈕，工作人員不僅可以觀測到當前的生產信息，還可以對液晶顯示界面進行清屏操作，或者查看歷史生產數據，其為現場工作人員提供了靈活的可操作顯示界面；考慮到各模塊間分別需要3.3V 和5V 電源供電，所以電源控制模塊分別選用AMS1117－3.3V 和AMS1117－5.0V 芯片；系統時鐘模塊選用SD2405 模塊，它是具有串行總線（IIC）接口的實時時鐘芯片，IIC 功能接口通過I／O 口模擬得到，其可為整個系統的設計提供精確的時鐘計時；數據存儲模塊選用SD 存儲卡，采用串行外圍設備接口 （SPI）模式，分別與主控芯片具有同步串行接口 （SSI）功能的I／O 口連接，其可為采集器發(fā)送過來的數據提供存儲空間；在鍵盤輸入模塊的設計中，設計了開關和復位按鍵，其可為工作人員的操作需要提供了便捷的選擇。

2.1 TM4C123主控制單元模塊

主控芯片的性能對集中器的影響至關重要，該模塊選擇的是TI公司生產的TM4C123GH6PGE 芯片，其使用了ARM 公司最新推出的Cortex－M4F 微處理器核，具有豐富的片上資源，采用144引腳LQFP 封裝，絕大多數引腳具有兩種以上可復用的功能，其提供出色的計算性能和優(yōu)越的系統中斷響應能力等，是該數據采集系統的最佳選擇芯片［1］。

2.2 無線通信模塊

由于生產車間沒有鋪設有線網絡，兼顧到數據傳輸距離較遠且穩(wěn)定性較高的要求，因而集中器的無線通信模塊選擇了深圳市安美通科技有限公司生產的APC250無線模塊。該模塊采用高效的循環(huán)糾錯編碼，抗干擾性能和靈敏度都大大提高，達1800 米傳輸距離。該模塊只有7 個引腳，與其它無線模塊相比很大程度上簡化了硬件接口設計，APC250與主控芯片的連接如圖3所示。

在本設計中，將無線模塊的RXD 接收和TXD 發(fā)送引腳分別與主控芯片的UART1 發(fā)送和接收端 （PB1 和PB0引腳）連接，通過串口收發(fā)數據即可。其余的引腳，如EN電源使能引腳、AUX 工作狀態(tài)指示引腳和SET接收信號強度指示引腳，分別將其與主控芯片的普通I／O 口 （PE0、PE1和PE2引腳）連接即可。另外，在收發(fā)端需選擇同一種類型的天線，將天線阻抗選擇為50歐姆。

圖3 APC250與TM4C123GH6PGE的硬件連接

2.3 網絡傳輸模塊

集中器的網絡傳輸模塊選用的是Microchip Technology生產的符合IEEE802.3 全部規(guī)范的以太網控制器ENC28J60。它只有28 個引腳，既大大簡化了相關硬件設計，又為嵌入式遠程通信提供了低引腳數、低成本且高效可靠的 解 決 方 案［2，3］。ENC28J60 內 部 集 成 了TX／RX 緩 沖器、MAC介質訪問控制模塊和PHY 物理層模塊，另外還需要加上以太網變壓器和RJ45接口才能使用，具體接口硬件電路如圖4所示。

圖4 ENC28J60硬件電路

其中，V3.3 和GND 用于給模塊供電，MISO、MOSI和SCK 用于SPI通信，將其分別與TM4C123主控芯片的各SSI端連接，INT 為中斷輸出引腳，CS 為片選信號，RST 為模塊復位信號。本設計采用HR911105A 為集成以太網隔離變壓器RJ45插座。

3 集中器的軟件設計

為實現集中器的數據傳輸抗干擾和用戶智能遠程監(jiān)控的功能，其主程序設計流程如圖5所示。其軟件設計主要包括兩部分，分別是集中器與采集器通信部分，集中器與管理中心通信部分。在與采集器通信部分，即主要通過APC250無線模塊接收數據，并針對抗干擾的設計需求采用相關算法處理。在與管理中心通信部分，采用嵌入式以太網通信技術，根據用戶需求，集中器通過ENC28J60網絡模塊將數據發(fā)送至服務器或客戶端瀏覽器，并完成嵌入式WEB服務器的設計。在這里主要介紹這兩部分設計方案。

圖5 集中器主程序設計流程

3.1 與采集器通信部分

集中器與采集器通信部分，主要通過APC250 無線模塊接收數據并進行相關處理。由于其內部已嵌入高速單片機，能夠透明傳輸任何大小的數據，因此在軟件設計時，不需要設計復雜的初始化程序，數據傳輸通過串口通信即可，在這里使用UART1 串口，其程序設計流程如圖6所示。

為避免數據傳輸時出現的干擾和不穩(wěn)定現象，對數據傳輸進行相關算法處理：①在采集器發(fā)送端先設定好數據幀特定的傳輸格式，包括每幀數據的起始和結束字符等，在集中器接收端通過檢測數據幀的起始和結束字符，用以判斷數據接收是否完整，若接收不完整可向采集器發(fā)送指令重新獲取數據；②在檢測數據接收完整之后，再對數據進行奇校驗，即在數據幀結束字符之后再加一位校驗位，在接收端檢測與發(fā)送端校驗位是否一致，若不一致則說明數據傳輸出錯，發(fā)送指令重新獲取數據；③若經過上述兩步檢測數據傳輸均無誤的條件下，集中器向采集器發(fā)送數據傳輸正確的指令，用以標志此次數據傳輸的終止。經過上述算法處理，在一定程度上保證了大量數據傳輸的完整無誤，有效的避免了傳輸時數據間的干擾和不穩(wěn)定現象。

3.2 與管理中心通信部分

集中器與管理中心的通信部分基于嵌入式以太網技術，通過ENC28J60網絡模塊將數據發(fā)送至局域網，其中包括相關驅動程序設計、uIP協議棧移植和嵌入式WEB服務器設計等。

圖6 APC250程序設計流程

3.2.1 ENC28J60驅動程序設計

對以太網控制器ENC28J60驅動程序的設計是至關重要的環(huán)節(jié)，在實現對ENC28J60 的控制基礎上才能使系統成功的接入網絡［4，5］。ENC28J60驅動程序設計包括初始化程序、發(fā)送數據包程序和接收數據包程序。其初始化流程如圖7所示。

ENC28J60程序初始化的主要目的是設置相關的寄存器和緩存，包括控制寄存器、過濾寄存器、物理寄存器和發(fā)送接收緩存。ENC28J60包含一個振蕩器起振定時器，它用來保證在使用振蕩器和集成PHY 寄存器之前相關的寄存器和緩存已經穩(wěn)定，若查詢ESTAT 寄存器的CLKRDY 標志位置1時，此時表明系統已穩(wěn)定，才可進行相關的初始化。

3.2.2 uIP協議棧移植

uIP協議棧去除了完整的TCP／IP 協議中不常用的功能，其源代碼是由C 語言編寫，并提供了一套實例程序且完全公開，對程序開發(fā)人員來說非常方便閱讀和移植［6］。uIP協議棧主要提供了兩個接口函數供系統底層調用，分別是uip＿input（）處理輸入包函數和uip＿periodic（）處理周期計時事件函數，與應用層程序的聯系主要是通過UIP＿APPCALL函數［7，8］。

圖7 ENC28J60初始化流程

在本程序設計中，使用和移植的是最新的uIP1.0 版本，在工程代碼下面另加入兩個文件夾，一個是uIP＿1.0文件夾，用于存放uIP1.0源碼；另一個是uIP＿APP 文件夾，用于存放uIP 相關協議的移植代碼。具體的移植過程如圖8所示。

在移植過程中，首先實現網卡初始化、讀取和發(fā)送數據包，然后由TM4C123 主控芯片提供定時器做時鐘，為TCP和ARP提供定時器服務，最后設置TCP監(jiān)聽端口數、最大連接數等參數。uIP事件通過主程序中uip＿polling （）函數輪詢處理，即需要將此函數加入到主循環(huán)程序中。

3.2.3 嵌入式WEB服務器設計

在本設計中，采用公共網關接口技術 （CGI）來實現客戶端和服務器端之間的動態(tài)交互［9］。CGI是一種用于定義WEB服務器與外部程序之間通信方式的標準，其功能是利用HTTP協議在客戶端與服務器主機應用程序之間進行信息的傳遞［10，11］。對于嵌入式WEB 服務器的實現，本系統采用C 語言編寫CGI程序，HTTP 請求采用GET 方法，CGI程序依據環(huán)境變量獲得請求信息之后，調用相應的CGI函數，對接收的信息進行分析處理并生成一個網頁，并將處理結果返回給WEB服務器，最終由服務器發(fā)送給瀏覽器［12］。

圖8 uIP協議移植流程

4 測試結果

該生產數據采集系統的集中器設計已經在中天科技海纜有限公司進行了現場測試，共測試了如圖1所示的9條生產線，用戶通過任意瀏覽器輸入服務器的IP地址即可訪問服務器，按下 “啟動采集”之后出現如下頁面，如圖9所示。在該頁面中，管理人員可以查看集中器每隔10 min發(fā)送過來的海纜生產數據。

圖9 客戶端訪問服務器頁面

如管理人員需查看某條生產線實時的海纜生產數據信息，首先點擊圖9中的 “實時傳輸”按鈕，出現3 個集中器供選擇；然后根據需要選擇相應的集中器，則鏈接到客戶端訪問嵌入式WEB 服務器頁面，如圖10所示；最后在該頁面上按下選擇需要查看的具體生產線。

圖10 客戶端訪問嵌入式WEB服務器頁面

如圖10所示，在實際測試中選擇的是7號生產線。在每幀數據中，“＊” “＆”分別為起始和終止字符，如前所述，用于判斷字符接收是否完整，每種不同的信息類型之間用 “?！备糸_，用以區(qū)分。如圖10所示的海纜生產信息如下： “SOFC－BSK14”為產品型號， “7”為生產線號，“20140409”為采集器采集的時間 （年月日）， “10：20”為采集的時刻（時分），“M5”為該條生產線使用的材料編號（該類型海纜生產過程中一共使用到6種類型材料，分別將其從“M1”至“M6”編號），“T4”為該條生產線使用的工藝類型（在整個生產過程中需要用到5種工藝，分別將其從“T1”至“T5”編號），“3”為該條生產線的轉速 （r／min），“24”為該條生產線上生產帶每分鐘走過的長度（m）。

在該系統中，首先每個采集器對應實時采集每條生產線的海纜生產數據信息，然后采集器通過無線通信將數據傳送給集中器，集中器經校驗之后通過有線通信將數據傳送至局域網，最后管理人員可以通過客戶端瀏覽器對整個系統實現了智能遠程監(jiān)控。由現場測試結果可以看到，該集中器的設計達到了抗干擾強、穩(wěn)定性高和智能遠程監(jiān)控的要求。

5 結束語

本文實現了一種基于嵌入式以太網通信的集中器設計，采用的主控芯片TM4C123 是最新的ARM Cortex－M4F 構架設計的器件，并完成了集中器各部分的軟硬件設計。在軟件設計中，集中器與采集器通信部分加入了相關算法，有效的避免了數據傳輸干擾；集中器與管理中心通信部分結合嵌入式以太網技術，管理人員通過客戶端瀏覽器可對海纜生產數據進行遠程監(jiān)控并進行相關操作。現場測試驗證了該集中器具有數據傳輸抗干擾強和智能遠程監(jiān)控等優(yōu)點。該設計將網絡技術和嵌入式技術巧妙的結合，同樣可以應用于電能表、溫度表和煤氣表等儀表的數據采集和監(jiān)控系統中，也可以廣泛應用于智能家居、汽車監(jiān)控、醫(yī)療儀器以及能源管理等領域，具有廣泛的應用前景和推廣價值。

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