基于ARM的紡織機生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

常波 劉望

摘要：紡織企業(yè)對數(shù)據(jù)實時性要求越來越高。設計了基于ARM的紡織機生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及PC（上位機）組成，數(shù)據(jù)采集部分采用STM32F407芯片，數(shù)據(jù)傳輸部分采用ATKRM04模塊，數(shù)據(jù)采集部分與上位機間的通信以及數(shù)據(jù)傳輸采用WiFi無線網(wǎng)絡。系統(tǒng)能快速組網(wǎng)，運行功耗低、實時性強、性能穩(wěn)健，可有效提高紡織企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

關鍵詞關鍵詞：ARM；數(shù)據(jù)采集；STM32F407；ATKRM04；WiFi

DOIDOI：10.11907/rjdk.161280

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007008603

0引言

紡織行業(yè)是我國的傳統(tǒng)行業(yè)，存在生產(chǎn)管理水平差、信息化程度低等問題。紡織企業(yè)進行了信息化改造，組建了生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效提升了紡織品生產(chǎn)自動化監(jiān)控水平，但存在數(shù)據(jù)傳輸速率低、準確性差等問題。原有系統(tǒng)普遍采用總線方式傳輸數(shù)據(jù)，對安裝環(huán)境要求相對苛刻，施工周期長、維護不方便、擴展性差、綜合成本較高。采用WiFi無線網(wǎng)絡可有效避免這些弊端，具有布網(wǎng)靈活、易于維護、擴展性較強的優(yōu)點，布設成本以及運行、維護成本相對較低。

1開發(fā)平臺

本文基于ARM設計了紡織機生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由3部分組成：①與底層傳感器相連的數(shù)據(jù)采集部分；②連接數(shù)據(jù)采集部分與上位機通信的數(shù)據(jù)傳輸部分；③運行于PC機上的上位機系統(tǒng)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件主要由STM32F407ZGT芯片組成的最小系統(tǒng)擴展而成，軟件部分則在Keil uVision5環(huán)境下開發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸部分主要由ATKRM04模塊和工業(yè)路由器所組成的無線網(wǎng)絡組成。運行于PC機上的上位機管理系統(tǒng)在Visual C++ 6.0環(huán)境下開發(fā)。

1.1STM32介紹

STM32系列是基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortexM4內(nèi)核，STM32功耗36mA，是市場上32位產(chǎn)品中功耗最低的產(chǎn)品。

ARMCortexM4處理器是由ARM公司開發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3的基礎上新加了浮點、DSP、并行計算并強化了運算能力，用以滿足需要信號處理功能和混合數(shù)字控制信號市場，具有低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點。

1.2ATKRM04介紹

ATKRM04是ALIENTEK推出的一款高性能UARTETHWiFi模塊。ATKRM04模塊加載了HiLink公司的HLKRM04模塊，采用串口與MCU通信，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，能實現(xiàn)用戶無線網(wǎng)、串口、以太網(wǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換。

通過ATKRM04模塊，傳統(tǒng)的串口設備在不需要更改任何配置的情況下就可通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

ATKRM04模塊支持RS232串口和LVTTL串口，支持DC6V～16V寬電壓工作范圍，支持串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)WiFi AP等連接形式，方便設備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。同時，ATKRM04還帶有路由器功能，完全可以當作路由器使用。

1.3Keil介紹

Keil是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)，Keil提供了包括C編譯器、鏈接器、庫管理、宏匯編和一個擁有強大功能的仿真調(diào)試器在內(nèi)的開發(fā)方案，通過集成開發(fā)環(huán)境（μVision）使這些組合在一起。WIN98、NT、WIN2000、WINXP、WIN7、WIN8、WIN10等操作系統(tǒng)都可以運行Keil軟件。如果使用C語言編程，那么Keil就是不二之選，即使不使用C語言編程而是用匯編語言編程，其簡單方便的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會讓工作事半功倍。2013年10月，Keil公司正式發(fā)布了Keil μVision5版本。

1.4Visual C++ 6.0介紹

Visual C++是一款功能強大的可視化軟件開發(fā)工具。自Microsoft公司1993年推出Visual C++1.0以后，相繼推出了許多新版本，現(xiàn)在已經(jīng)推出了Visual C++.7.0（Visual C++NET），但它在應用上還是有很大的局限性，只適用于Windows 2000、Windows XP和Windows NT4.0系統(tǒng)平臺，所以，更多使用的是Visual C++6.0。Visual C++6.0由編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)ppWizard、類向?qū)lass Wizard等許多組件組成，這些組件通過一個名為Developer Studio的組件集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。它不僅是一個C++編譯器，而且是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境。

2關鍵技術

2.1C/OSII

μC/OSII操作系統(tǒng)絕大部分代碼是用ANSII的C語言編寫的，有一小部分用匯編編寫，以便供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC /OSII是一個可裁剪、可固化、可移植的實時搶占式多任務內(nèi)核。從8位到64位，μC/OSII已可以在超過40種不同架構(gòu)的微處理器上運行。μC/OSII應用廣泛，包括手機、飛行器、路由器、不間斷電源、集線器、工業(yè)控制和醫(yī)療設備等很多領域。μC/OSII通過了嚴格的測試，得到美國航空管理局認證，被允許用在飛行器等設備上。這說明μC/OSII性能穩(wěn)定可靠，更重要的是μC/OSII 源碼公開，便于移植和維護。

2.2WiFi

WiFi技術指的是基于IEEE802.11 協(xié)議的無線局域網(wǎng)接入技術，WiFi網(wǎng)絡可以無線接入，傳輸數(shù)據(jù)快且搭建成本低。

技術原理：以前各設備間通過網(wǎng)線連接，而無線WiFi則通過無線電波連接。最常見的是無線路由器，在無線路由器的有效電波覆蓋范圍內(nèi)都可以采用無線方式連接。如果無線路由器連接了一條ADSL線路或其它上網(wǎng)線路，則該路由器被稱為熱點。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸流程

根據(jù)車間每臺紡織機生產(chǎn)的獨立性和位置的相對分散性，本系統(tǒng)采用單臺采集加集中管理的控制方式，即每臺紡織機擁有自己的數(shù)據(jù)采集部分且各個數(shù)據(jù)采集部分相對獨立。上位機系統(tǒng)可以接收各個數(shù)據(jù)采集器上傳的數(shù)據(jù)并集中管理整個車間紡織機。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和上位機系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其單臺紡織機運行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集部分與上位機系統(tǒng)采用客戶端/服務器模式進行雙向通信，數(shù)據(jù)采集部分向上位機上傳數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

系統(tǒng)分3大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機系統(tǒng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊又可分為數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊分為通信連接模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。上位機系統(tǒng)模塊分為用戶管理模塊、顯示模塊、報表生成模塊。系統(tǒng)功能如圖3所示。

主要獲取紡織機生產(chǎn)過程中的設備狀態(tài)信息如轉(zhuǎn)速、經(jīng)斷、緯斷、絞邊停、其它停以及溫、濕度傳感器上采集到的溫度、濕度信息。

數(shù)據(jù)上傳模塊：將采集到的實時數(shù)據(jù)或存儲在本地存儲器上的歷史數(shù)據(jù)上傳到上位機系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)存儲模塊：當通信中斷時，將采集到的實時數(shù)據(jù)以歷史數(shù)據(jù)形式存儲到本地存儲器上。

用戶管理模塊：用戶登錄管理和用戶權限管理。

顯示模塊：將紡織機的工作狀態(tài)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)在顯示器上顯示。

報表生成模塊：將采集到的信息生成報表，方便管理人員查看使用。

數(shù)據(jù)采集器與上位機系統(tǒng)連接的核心代碼如下：

5結(jié)語

本系統(tǒng)采用STM32F407芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的處理器，體積小、功耗低、運算能力強、中斷響應快速。采用基于WiFi的無線傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，組網(wǎng)靈活，施工周期短，可擴展性強、維護簡單快捷，數(shù)據(jù)傳輸實時性高。應用于紡織設備，對加快我國紡織企業(yè)信息化改造步伐具有很強的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

STM32F10lxx ST32M103xx datasheets＼[S＼].STMieroeleetronies，2007.

吳明輝.基于RAM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用.北京：人民郵電出版社，2004.

吳勝昔，路東聽，趙霞.基于嵌入式TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集器[J].微型電腦應用，2006，22（1）：2831.

陳鳴鳩，林欣銘，俞龍.基于WiFi的溫室群多節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2015（2）：2830.