技术文章

引言

       随着计算机技术的飞速发展，仪器仪表也不断更新换代，使记录仪摆脱了经典的机械记录方式，进入全新的触摸式无纸时代，触摸式无纸记录仪具有清晰醒目的显示画面、丰富多样的显示方式、简便灵活的设置、友好的HMI人机界面、强大的网络通讯功能等特点，必将代替老式的走纸记录仪。

       目前国内外开发生产触摸式无纸记录仪的厂家日益增多，国内有浙大中控、虹润等，国外有日本横河、德国久茂、欧陆等。

       从20世纪90年代起，计算机技术产生了迅猛发展，新的硬件设备层出不穷，特别是中央处理器（CPU）和存储器（RAM）。CPU的速度从几十兆赫到几百兆赫，再发展到现在的一千兆赫，使图形的处理速度有了很大的提高。存储器容量也从原来的64KB到现在的128MB,另外液晶显示器也从原来的单色液晶显示到现在的TFT真彩LED显示。

       触摸式无纸记录仪厂家通过开发各自的DTM数据管理软件来管理触摸式无纸记录仪的数据存储，这种强大的管理软件的性能现已接近于组态软件功能。通过强大的网络通讯平台，使多台触摸式无纸记录仪联网，从文件服务器（FTP）上能管理和监视触摸式无纸记录仪的数据和运行情况。NHR8000系列虹润触摸式无纸记录仪配置TCP/IP协议，通过调制解调器，触摸式无纸记录仪进入因特网，即触摸式无纸记录仪可通过因特网随时看到产品的工作情况，实现产品的数据交换。下面介绍触摸式无纸记录仪的工作原理、组成及其信号测试。

2  触摸式无纸记录仪总体架构图

       触摸式无纸记录仪总体架构见图1。

       触摸式无纸记录仪主要由主板、按键板、数据采集板、开关量输入、输出板、液晶屏、触摸屏、液晶驱动板、电源板、转接公共板等组成。按键面板通过PS/2接口与主板连接，LCD通过TFT接口与主板连接，主板的RS232接口连接到转接板，再通过转接板和各采集板和开关量输入输出板连接，构成了多个RS232通信电路。

       触摸式无纸记录仪操作单元主要分为两个组成部分。

       它分为数据采集控制单元和图形操作单元。

       数据采集控制单元由数据采集板、开关量输入输出板等组成。

       图形操作单元由按键板、主板和液晶组成。

       数据采集控制单元的作用：采集板为独立的工作机制，核心是由独立的CPU(MSC1210)完成对现场信号的采集,外部执行机构的控制由主板发送指令报文完成。

       图形操作单元的作用：接收数据采集控制单元发过来的数据，完成对数据进行处理、显示和存储等功能，通过按键面板实现对画面的组态。

       采集板的总体框架图见图2。

       数据采集板能实现：12路万能信号输入，数据采集板采用MSC1210芯片作为微处理器，主要外围电路包括信号调理电路、信号放大电路、信号转换电路、通讯电路、拨码开关组成开关量输入、输出电路。

       数据采集板由拨码开关组成的开关量输入、输出模块，通过拨码开关的不同组合来定义从机的地址。数据的采集将模拟信号转换成数字量送入采集板处理器中处理。

       通用模拟量的采集由光耦继电器、运放、电阻和信号保护调理电路组成。通过采集板的微处理器控制光耦开闭，实现不同传感器信号的转换。

       为避免高低噪声影响到采集精度，在信号处理电路上增加了磁珠和RC滤波电路，磁珠能抑制高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力，RC滤波电路能抑制低频干扰和降低低射频干扰。

3  NHR触摸式无纸记录仪设计原理框图

       NHR8000系列触摸式无纸记录仪以STM32F207的ARM处理器为核心，加上存储器和输入输出设备组成触摸式无纸记录仪，原理框图见图3。

4  系统组成部分 

       4.1主机板中央控制器

       中央控制单元作为触摸式无纸记录仪的核心，主要完成触摸式无纸记录仪的控制，运算，显示，通讯等功能；触摸式无纸记录仪中央处理器采用基于ARM内核的32位MCU，150DMIPs，高达1MB的FLASH/128+4KB RAM ,USB ON-The-Go Full-speed/High-speed ,以太网，17Tims,3ADCS，15个通信摄像头接口功能的STM32F207处理器。使用ARM 32位cortex-M3CPU,自适应实时加速器可以让程序在FLASH中以最高128MHz频率执行时，能够实现零等待状态的运行性能，内置存储器保护单元能够实现高达150DMIPS/1.25DMIPS/MHz性能。该器件拥有512字节的动态口令存储器，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器，并行LCD接口，兼容8080/6800模式时钟、复位和电源管理。

       4.2采集板中央处理器

       采集板中央处理器作为触摸式无纸记录仪信号采集的核心，主要完成触摸式无纸记录仪信号的采集，通讯等功能，采集板中央处理器采用基于8051内核单片机，它拥有33MHz的时钟周期，8路24位高精度∑-△A/D转换器，Flash存储器等。

       4.3  存储器设备

       触摸式无纸记录仪存储器设备有EPROM，EEPROM，铁电存储器FRAM和内部Flash、RAM构成。EPROM主要用于存储程序，其中还有一些区域是用来存储系统参数，RAM用来存储工作数据（模拟输入数据）以及CPU操作过程中所需要的指针和数据，工作参数和配置参数也存在RAM中，正常操作时从RAM调用，一些重要的参数配置参数存储在EEPROM中，一旦掉电把EEPROM中的参数调入RAM中，触摸式无纸记录仪使用的EEPROM为铁电存储器FRAM。

       4.4   显示屏和触摸屏

       显示屏是交互设备的主体，能提供足够的信息量，便于用户的操作，

       具有易读性和易操作性。触摸式无纸记录仪采用TFT真彩显示的7寸屏，带LED背光，分辨率为800*480，宽视角，触摸屏采用电阻式触摸屏。

       4.5触摸式无纸记录仪的软件部分

       4.5.1采集板主程序软件部分

       采集板主程序的流程图见图6。

       主程序通过初始化函数完成对微处理器时钟频率配置、串口初始化、AD芯片校准、定时中断的设置和系统变量初始化，然后读取拨码开关的状态来获取采集板的地址并把这个信息存入RAM中，每块采集板都有各自的地址，在与主机板通信时候，采集板处理自己地址的报文，采集板的中央处理器处理相应的采集子程序，将采集数据子程序放在串口中断里实现，目的是为了保证采集板在接到主机取指命令时直接采集最新程序，这样可提高触摸式无纸记录仪的数据刷新速度。采集子程序会调用相关的模块函数，并把这些数据放到相应的RAM中。

       4.5.2采集板驱动程序部分

       采集板驱动程序设计见图5

       采集板数据驱动程序包括AD采集模块、DA输出模块、冷端采集模块、通讯模块等，不同的模块在程序中有各自的头文件和源文件，采用模块化结构的模块可以提高代码的重用率，只要修改少量代码就可以完成程序的移植，在程序中只需要调用各公共的接口函数就能对设备进行操作，这样一来系统软件的层次分明，便于维护和调试。

       4.5.3 AD采集程序部分

       AD采集程序见图7。

       4.5.4 DA输出程序部分

       主机发送DA配置报文，通过调用DA输出通道配置函数配置电压值，DA采用三线制串行接口通信方式，通过串行接口线配置16位输入移位寄存器。通过调用DA通道配置接口函数和输出函数完成各输出数据的同时更新。

       4.5.5 数据通讯模块程序部分

       数据通讯模块程序设计见图8。

       数据通讯模块程序包含串口通信初始化函数、串口单字节数据发送函数、串口多字节数据发送函数等，在串口接到主机发来的地址帧数据时候就会引发中断，转到串口接收中断程序中执行。根据接收到的报文数据，串口接收中断程序会做出应答和动作。在主程序执行初始化时调用串口通信初始化函数，选择串行通信接口模式，使串口接收器处于待机状态。当串口接收到数据时候会引发串口中断，执行串口中断程序。

       4.5.6开关量输入板的驱动程序部分

       开关量输入板包含光耦隔离电路、译码器、锁存器、或门等实现开关量的检测输入，开关量输入板驱动程序见图8。

       开关量输入板程序包含端口读取函数、串口通信初始化函数、串口单字节数据发送函数、串口多字节数据发送函数等，开关量输入板实际上是对微处理器的端口进行读取操作，调用接口函数就可以读取开关量状态。

       4.5.7开关量输出板的驱动程序部分

       开关量输出板包含光耦隔离电路、译码器、锁存器、或非门、大功率驱动芯片等实现对继电器的控制。开关量输出板驱动见图9。

       开关量输出板程序包含端口写函数、串口通信初始化函数、串口单字节数据发送函数、串口多字节数据发送函数等，开关量输入板实际上是对微处理器的端口进行设置输出，调用接口函数就可以设置开关量输出。

       4.5.8按键面板设计程序部分

       按键面板电路主要由微处理器、按键以及外围电路等组成，它通过PS/2接口与主机板连接，可通过四根线实现通信。

       按键面板的软件设计见图10。

       按键延迟0.5S后向主板发送0XAA通知主板。开总中断、外部中断，设置中断触发模式，将时钟线、数据线连在微处理器的中断引脚上，扫描键盘，看是否有按键按下，确定按键的位置，发送相应的码。判断时钟线是否为低电平，如是则延时100US再判断时钟线是否为低，等待时钟释放，再看数据线是否为低，为低则表明主板在请求发送数据，根据主板发来的指令作出相应的应答和动作。

       4.5.9  主机板和采集板之间的通讯电路部分

       为保证触摸式无纸记录仪在实际现场的通讯的可靠和系统的安全，在通讯电路处理中对信号和电源进行隔离，通讯电路和微处理器之间通过光耦隔离，实现系统的全隔离。通讯部分电源由开关电源提供，避免了接地环路问题。

       主机板和采集板之间的通讯见图4。

       主控制板与采集板之间的通信电路采用主从总线拓扑结构，以主控制板为主机，采集板为从机，每块采集板的通信接口与RS232芯片连接，为防止输出端电平相互影响，在从机的发送端和主机的接收端之间串入一个二极管。为保证机和从机正常的传送数据，需要有一套完整的信息传输模式，数据格式以及内容的规约协议。主机向所有从机发送带地址信息的指令报文，被寻址从机根据指令报文中功能码做出应答或动作，每个从机都有各自的独立的地址，主机向从机发送的各种指令报文和从机所发的报文都是以从机的地址为开头的，从机只读取发给自己的指令，对以其它从机开头的报文不做应答。

       4.5.10键盘输入及电路部分

       键盘是另外一个交互设备，一般是用来给用户输入信息，包括设置仪表参数，校准仪表输入输出信号等。触摸式无纸记录仪采用一颗按键扫描芯片，可通过串行通信的方式读取芯片数据，CPU采用中断的方式读取扫描芯片的数据，然后完成响应的操作。触摸式无纸记录仪的键盘操作分一般操作员操作和工程师操作，通过不同的按键组合和密码来限制、区分不同的操作类型。

       4.5.11 触摸校准技术

       触摸式无纸记录仪表选用的是电阻压力型触摸屏，通过压力感应来完成硬件触摸。

       软件采用两点校准法实现，其中校准点数越多，触摸屏数据越精确。

       两点校准法方法如下：

       在触摸屏的左上角和右下角分别显示两个校准图标（长为20的十字光标）,十字光标的交叉点即为校准点。软件算法实现为程序第一次启动时将会进入校准模式，出现左上角的十字光标，请用户触摸十字交叉的中心，如果触摸点明显偏离十字叉的中心，则程序为要求重新校准。

5  NHR系列触摸式无纸记录仪

       NHR-8100/8700系列彩色触摸式无纸记录仪万能输入（可组态选择输入：标准电压、标准电流、热电偶、热电阻、毫伏等）。可带18路报警输出或12路模拟量变送输出，RS232/485通讯接口，以太网接口，微型打印机接口和USB接口，SD卡插座；可提供传感器配电；具有强大的显示功能，实时曲线显示，历史曲线追忆，棒图显示，报警列表显示等。

       NHR系列触摸式无纸记录仪的主要技术参数见表1。

       表1  NHR系列触摸式无纸记录仪技术参数

6  其它功能介绍

       6.1 触摸式无纸记录仪数据保密功能

       触摸式无纸记录仪数据的存储以二进制的形式实现，只有通过注册用户才能访问触摸式无纸记录仪生成的数据，每组历史数据以文件的形式生成，需要通过数据管理软件打开。

       6.2触摸式无纸记录仪安全访问

       安全访问需要通过设置登入口令来完成，查看实时数据、历史数据、报警事件不需要通过登入口令来实现，如果需要配置参数和组态则需要输入口令，这样确保用户数据和配置参数的安全性。

       6.3触摸式无纸记录仪数据安全

       数据最初保存在内存中，定期将此数据传输到可移动的存储媒体中(sd卡等)，也可以通过网络通讯功能将实时数据传输给文件服务器，从而增加数据的安全性。

       6.4触摸式无纸记录仪软件组态功能

       触摸式无纸记录仪可通过设定数学运算模式实现流量测量功能和PID控制功能。

7  触摸式无纸记录仪的信号测试

       7.1电压信号测试

       电压测试用CA150作为信号源，输入两点分别为1V和4V，每个点取20次平均值，建立数学模型y=mx+b,算出m和b的值，然后在分别输入1-4V每个点所对应的信号值，算出精度。其中x为AD转换的数字量，y为实测值。

       7.2电流信号测试

       电流测试可建立数学模型y=(10/6669113)x-0.001419其中x为AD转换的数字量，y为实测值。

       7.3热电阻信号测试

       热电阻信号测试可建立数学模型y=0.396x×10-5-259.74其中x为AD转换的数字量，y为实测值。

       7.4热电偶信号测试

       热电偶传感器是非线性传感器，MV信号与温度呈非线性关系，需要应用拉格郎日插值法进行数学处理，采集每个温度点通过数学处理方法算出采集20次的AD数字量，然后转换成电势值，再用拉格郎日插值法算出对应的实际温度值。

8  结束语

       考虑到将触摸式无纸记录仪表取代小型的控制系统应用于流程工业、设备配套、机械包装等行业中，要求在图形画面上做出更多的动态对象，需要嵌入更多复杂的操作系统，这样一来对于主机板的配置的要求更为重要，需要选择运行速度快的主板平台。为提高操作的灵活性需要在操作系统下增加触摸式显示很操作。另外随着物联网技术的发展，要求越来越多的带有数据采集的触摸式无纸记录仪在软硬件的安全性能上做进一步的研究和探讨，我相信关于触摸式无纸记录仪的应用将具备广阔的市场前景。