分布式故障信息采集處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王恩博，孫 驁，李 翠

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

隨著工業(yè)產(chǎn)線的多元化發(fā)展，集中式控制在很多工業(yè)現(xiàn)場無法滿足安裝要求，此外，由于工業(yè)現(xiàn)場的工作環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的故障信息分散，無法采用集中控制的方式處理[1-2]。針對此情況，提出了分布式故障信息處理系統(tǒng)，可解決工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場故障信息采集及匯總問題，提高生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由以下部分組成：電源模塊、控制模塊、CAN總線驅(qū)動器、USB掃碼槍模塊、SD卡模塊、地址編碼模塊。

系統(tǒng)輸入電源為+24V，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，使用了兩種DC/DC芯片提供+3.3V及+5V電源。采用STM32F103微控制器控制外設(shè)芯片工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、通信等功能。微控制器讀取SD卡內(nèi)存儲的配置信息，根據(jù)配置信息對外設(shè)芯片進行初始化。如果SD卡內(nèi)存儲的默認(rèn)設(shè)備地址與編碼盤的地址不一致，則以編碼盤地址為準(zhǔn)。為獲得系統(tǒng)工作環(huán)境的溫濕度信息，系統(tǒng)中加入了溫濕度傳感器，溫濕度超過閾值時會上傳系統(tǒng)故障信息。采用專用USB接口芯片讀取USB掃碼槍數(shù)據(jù)，該接口芯片通過UART接口將數(shù)據(jù)上傳至微控制器，微控制器對數(shù)據(jù)進行處理并解碼。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源設(shè)計

系統(tǒng)的+3.3V電源由TI公司的DC/DC芯片LM2832實現(xiàn)，該芯片可提供最大2A的輸出電流，并且提供熱保護和過壓包括，工作溫度為-40℃~125℃，成本較低且占用面積比較小，另外該芯片還具有很高的效率。原理圖如圖2所示。

圖2 5V轉(zhuǎn)3.3V降壓電路原理圖

系統(tǒng)的+5V電源由TI公司的DC/DC芯片TPS5420 DR實現(xiàn)，該芯片具有很寬的輸入范圍：5.5V~36V；可提供2A的輸出電流（最大可輸出3A的峰峰值電流），效率高達(dá)95%以上，支持工業(yè)級應(yīng)用，溫度范圍為 -40℃~125℃；并且該芯片的封裝為Small 8-Pin SOIC，具有比較小的面積。另外該芯片具有多種保護功能，其中包括過流限制、過壓保護和熱關(guān)斷的功能。電路原理圖如圖3所示。

圖3 24V轉(zhuǎn)5V降壓電路原理圖

3.2 控制器最小系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)環(huán)境復(fù)雜，MCU的選擇需要具備抗干擾能力、處理速度快的特點。系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103嵌入式處理器，該處理器具有以下優(yōu)勢：性能比較高；抗干擾能力強（外部使用5V電平抗干擾能力強；內(nèi)部使用3.3V邏輯，功耗低且速率快）；支持多種接口（I2C接口、UART接口、SPI接口，CAN接口、SDIO接口、USB接口等）[3-4]。

系統(tǒng)外置看門狗芯片，一方面為整個系統(tǒng)提供復(fù)位源，另一方面保證系統(tǒng)在故障或者死機狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能[5]。本設(shè)計中，選用EXAR公司的SP706REU芯片作為復(fù)位芯片，該芯片是一款3.0V/3.3V的電源監(jiān)控芯片，主要功能有電源監(jiān)控、系統(tǒng)復(fù)位及CPU檢測。該芯片在應(yīng)用上已很成熟、成本較低。

系統(tǒng)選用Philips公司的TJA1040芯片實現(xiàn)CAN總線通信，該芯片支持1Mbps的波特率，完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，并且支持熱保護功能。由于該芯片支持STAND BY模式，設(shè)計為當(dāng)不使用CAN接口時，MCU可以控制CAN收發(fā)器的進入STAND BY模式；為了防止電路反射，匹配電路阻抗[6-7]，CAN總線需要增加120歐姆的終端電路，原理圖如圖4所示。

圖4 CAN接口原理圖

3.3 外圍電路設(shè)計

為了增強系統(tǒng)的可靠性，對設(shè)備周圍溫濕度進行檢測，以便于在溫濕度異常情況下提出報警，這樣可以有效保護設(shè)備本身。系統(tǒng)采用DHT11作為溫濕度傳感器，該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11與控制器之間能采用簡單的單總線進行通信，僅需要一個I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40bit的數(shù)據(jù)一次性傳給控制器，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

為了便于現(xiàn)場工作人員進行數(shù)據(jù)維護，保存配置參數(shù)以及大量的故障信息，本設(shè)計使用閃存卡作為故障及配置信息的存儲介質(zhì)，并可以通過讀卡器在PC機中讀/寫SD卡數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用的微控制器STM32F103具備SDIO接口，只需要少量外圍電路就可以驅(qū)動讀寫SD卡，并支持SD卡插入檢測功能。系統(tǒng)采用FatFs文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以TXT文本格式存于SD卡。系統(tǒng)采用三個編碼盤用于設(shè)置設(shè)備地址，MCU通過兩片74HC165串并轉(zhuǎn)換芯片讀取編碼盤上的地址，以此減少MCU的IO使用數(shù)量。編碼盤輸出為BCD碼，MCU讀取數(shù)據(jù)后需要將BCD碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)并與SD卡存儲的設(shè)備地址進行比對。

根據(jù)實際使用需要，系統(tǒng)提供一個USB2.0的接口，供掃碼槍使用。系統(tǒng)采用專用USB接口芯片接收USB掃碼槍數(shù)據(jù)，并通過UART接口將數(shù)據(jù)傳送給MCU。USB接口芯片穩(wěn)定性好，有效解決了USB驅(qū)動開發(fā)耗時長的問題[8-9]。為了更好地保護內(nèi)部電路，將外部USB與內(nèi)部隔離，使用ADI公司的USB專用隔離器，可有效避免外部對內(nèi)部電路的損害，原理圖如圖5所示。另外為了保證USB的完全隔離，必須增加隔離電源模塊，以達(dá)到整個USB部分的電氣隔離。并且隔離電源模塊必須符合USB接口設(shè)備對功耗的需求。選用TI公司的DCP020505U，輸出電流可達(dá)到0.7A，其原理圖如圖6所示。

圖5 USB隔離器原理圖

圖6 隔離電源原理圖

4 軟件設(shè)計

分布式故障信息采集處理系統(tǒng)軟件部分主要用于完成故障信息采集、存儲及處理；檢測設(shè)備周圍環(huán)境溫濕度；信息上傳等工作。本設(shè)計采用Keil μVision 5軟件進行編程，主要由主程序、CAN中斷服務(wù)程序、UART中斷服務(wù)程序、定時器中斷服務(wù)程序、信息接收機存儲程序組成。

系統(tǒng)上電后MCU的主程序首先進行初始化工作，包括對時鐘初始化、定時器初始化、SD卡初始化、CAN初始化、UART初始化等。然后讀取編碼盤上的地址碼以及SD卡內(nèi)存儲的配置信息，根據(jù)配置信息MCU對其他外設(shè)進行初始化。系統(tǒng)采用CAN通信實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)傳輸，MCU通過串口中斷接收USB接口芯片上傳的數(shù)據(jù)并解碼，然后將掃碼槍數(shù)據(jù)、溫濕度值、報警等信息通過CAN總線進行上傳。同時，上位機不斷查詢下位機通信，下位機超過1s無應(yīng)答，則判定為下位機通信丟失。軟件主程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主程序流程圖

系統(tǒng)對溫濕度較為敏感，所以設(shè)置定時器為0.3秒溢出一次，來讀取DHT11傳感器的溫濕度值并判斷是否超限。該傳感器的一幀數(shù)據(jù)由5Byte組成，即一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和。其中，校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。

讀取溫濕度數(shù)據(jù)時，首先對DHT11發(fā)送復(fù)位信號，根據(jù)時序圖MCU需要延時 20～40μs讀取DH11T的回應(yīng)信號，若數(shù)據(jù)線為低電平，則說明DHT11發(fā)送了響應(yīng)信號。給主機發(fā)送響應(yīng)信號后，DHT11再把數(shù)據(jù)線拉高，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。每一bit數(shù)據(jù)都以低電平（12～14μs）開始，然后拉高數(shù)據(jù)線。“0”“1”信號以高電平的持續(xù)時間來區(qū)分：“0”信號的高電平持續(xù) 26～28μs，“1”信號的高電平持續(xù)116～118μs。數(shù)據(jù)讀取程序如下：

5 結(jié)束語

依據(jù)工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境，提出并實現(xiàn)了一種切實可行的設(shè)備故障信息采集、存儲及上傳解決方案。所實現(xiàn)的分布式故障信息采集處理系統(tǒng)綜合使用了STM32F103處理器，USB掃碼槍獲，SD卡存儲數(shù)據(jù)并和CAN總線，使之協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了設(shè)計初衷。系統(tǒng)符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際使用要求，可靠性高，穩(wěn)定性強，具有一定的實用價值。