基于NUC972滅菌設(shè)備電子存儲器的設(shè)計

張照偉，劉洪波，賈榮華

（1.濟(jì)南正平自動化設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南，250101；2.濟(jì)南升平軟件有限公司，山東濟(jì)南，250101）

0 引言

常規(guī)滅菌器的過程數(shù)據(jù)根據(jù)法規(guī)要求需要進(jìn)行記錄并存檔，而且可以被追溯。當(dāng)前大部分滅菌器是使用打印機(jī)將滅菌過程數(shù)據(jù)打印出來；或者通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳送至電腦存儲在電腦上。如果只使用打印機(jī)時，當(dāng)滅菌器運(yùn)行過程中出現(xiàn)打印機(jī)故障或卡紙的情況，打印記錄不完整，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法存檔，后續(xù)無法對該滅菌流程進(jìn)行追溯。而采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞劫M(fèi)用比較高，滅菌器需要預(yù)留單獨(dú)的網(wǎng)口或其他接口，用于滅菌器與電腦的連接，而且電腦上需要安裝一套專用的軟件，用于采集、讀取和解析數(shù)據(jù)，比較復(fù)雜且成本高。

為了解決滅菌設(shè)備在運(yùn)行程序過程中打印機(jī)卡紙或打印機(jī)故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題，同時降低數(shù)據(jù)傳輸至電腦方案的費(fèi)用，而設(shè)計了一款能將控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和儲存的電子存儲器。該電子存儲器運(yùn)行精簡的LINUX操作系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠，可輸出PDF文檔。存儲器采用的MCU型號是NUC972，該芯片是ARM926EJ-S 核心，片內(nèi)堆疊64MB DDR-II內(nèi)存，LQFP128封裝[1]。芯片特性決定不需要使用外擴(kuò)的SDRAM，電路板層數(shù)可以減少至四層，電路板面積也可以大幅減少，從而降低存儲器的硬件成本。

1 電子存儲器設(shè)計方案論述

1.1 儲存器的主要功能

電子存儲器的主要功能是接收來自PLC控制器發(fā)送給打印機(jī)的數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)存儲在自身的FLASH中，同時轉(zhuǎn)發(fā)給打印機(jī)。這樣的連接方式可以在電子存儲器或打印機(jī)有一個發(fā)生故障的時候，確保過程數(shù)據(jù)也能被保存下來。當(dāng)自身FLASH的空間接近存滿時，或者用戶需要把數(shù)據(jù)存檔到電腦時，可以使用SD卡或U盤接入存儲器讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲方式使用了FLASH空間循環(huán)存儲，在空間不滿時，讀取過的數(shù)據(jù)不會被刪除。如果FLASH空間存滿時，最先存儲的數(shù)據(jù)會被刪除。這樣的存儲方式，可以解決數(shù)據(jù)讀取過程中出現(xiàn)問題或者讀取到電腦后操作失誤引起的數(shù)據(jù)丟失。

1.2 本方案的優(yōu)點(diǎn)

電子存儲器的設(shè)計方案很多，下面通過表格做對比說明，來展示本設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)，如表1所示。

表1 電子存儲器設(shè)計優(yōu)點(diǎn)

1.3 NUC972 芯片介紹

NUC97X采用ARM926EJ-S核心,執(zhí)行速度高達(dá)300MHz，堆迭64MB或128MB DDR-II內(nèi)存于同一封裝提供128-pin和216-pin LQFP封裝，這樣可以大幅減少PCB尺寸和降低電磁干擾。豐富的周邊功能包含：11組UART、以太網(wǎng)、SDIO / eMMC、NAND Flash 、CAN 2.0B、ISO-7816 介面、LCD 控制器和高速USB2.0 Host/Device等，可以滿足客戶對彈性設(shè)計的需求。NUC97X提供 AES、SHA與3DES加密引擎，并符合-40℃～85℃工業(yè)溫度規(guī)格[1]。

該系列芯片主要應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、人機(jī)界面、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、充電站、可編程邏輯控制器 ( PLC )、遠(yuǎn)程終端單元 ( RTU )，閘道器和智能家居網(wǎng)關(guān)與路由器。特別是芯片內(nèi)部堆疊64MB或128MB DDR-II內(nèi)存，對于減低成本起到關(guān)鍵性作用。一是在運(yùn)行精簡OS的情況下，不用外部擴(kuò)展DDR-II內(nèi)存，減少硬件成本；二是電路板設(shè)計也不需要使用6層或8層板，簡單的4層板足以滿足設(shè)計要求，可節(jié)省生產(chǎn)加工成本[2]。

1.4 設(shè)計方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以看出,滅菌數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)通過①PLC控制器發(fā)送至②電子存儲模塊，電子存儲模塊由③電源進(jìn)行供電，同時電源通過②電子存儲內(nèi)部電路給④打印機(jī)電源供電，滅菌數(shù)據(jù)經(jīng)過分流后傳送至⑤打印機(jī)通訊口，使打印機(jī)正常打印數(shù)據(jù)。同時滅菌數(shù)據(jù)在儲存器上保存到內(nèi)部FLASH中。當(dāng)SD卡或U盤插入時，⑥優(yōu)盤或⑦SD卡中會生成對應(yīng)數(shù)據(jù)的PDF格式文檔或其他格式文檔。

圖1 電子存儲器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

電子存儲器硬件電路設(shè)計主要包含：電源模塊、主控制芯片、NAND FLASH接口、SD卡接口、U盤接口、RS232通訊接口和RS485通訊接口。電源模塊包含+5V供電、+3.3V供電、+1.8V供電和+1.2V供電。由于芯片對不同的電壓等級上電時序有嚴(yán)格的要求，所以設(shè)計電源模塊時，要遵循+5V和+3.3V先供電，然后+1.8V和+1.2V才能供電。為了應(yīng)對工業(yè)現(xiàn)場的強(qiáng)干擾情況，RS232和RS485必須具有防靜電，防浪涌等干擾的措施。

2.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊設(shè)計尤為重要。在一個產(chǎn)品中，電源是能量的來源。設(shè)備正常工作的最基本的保障。如圖2所示，+5V電源通過U2產(chǎn)生穩(wěn)壓的VD33(3.3V)，VD33通過R5/R14分別控制U3/U4的EN使能位。只有VD33穩(wěn)定之后。U3/U4才會使能而正常工作，產(chǎn)生VD12和VD18。分別給MCU的內(nèi)核和SDRAM內(nèi)存供電。這樣就確保了上文說的供電時序。RS1/RS2/RS3使用0Ω電阻，來充當(dāng)保險絲的作用，當(dāng)后級電路短路或過流時，通過燒斷0Ω電阻來進(jìn)行保護(hù)。CT1 / CT2，CT3 / CT4，CT17 / CT18是濾波電容，使用大小電容組合的方式來穩(wěn)壓和濾除電壓尖峰。

圖2 電源模塊設(shè)計

2.2 RS232和RS485接口設(shè)計

工業(yè)現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，而且現(xiàn)場接線種類繁多。設(shè)計通信模塊的時，一定要具有較強(qiáng)的抗干擾性和接錯線的容錯性。如圖3所示，V6整流橋和V5/V7穩(wěn)壓管組成高壓吸收網(wǎng)絡(luò)，對通信中的高壓干擾進(jìn)行吸收，保護(hù)通信電路。利用V1/V2和V3/V4雙路共陰極穩(wěn)壓管進(jìn)行ESD保護(hù)。L2/L3/L4/L5磁珠用來抑制信號線上的高頻噪聲和尖峰干擾。R3/R4/R8/R9電阻用來限流，保護(hù)通信口免受大電流沖擊[2]。通過使用有效地保護(hù)元器件，可以抵抗其他設(shè)備發(fā)出的干擾信號，保證通信的可靠性。

圖3 RS232和RS485接口設(shè)計

2.3 USB/SD和NAND FLASH設(shè)計

電子存儲器硬件電路設(shè)計的核心就是數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)導(dǎo)出電路。如圖4所示，U16是NAND FLASH芯片，芯片可以選擇三星公司生產(chǎn)的K9F2G08U0B或者華邦公司生產(chǎn)的W29N01HV。RG5電阻起到短路保護(hù)作用，CB21/CB22/CB23電容起到濾波作用。J2是USB接口。U13是增強(qiáng)的單通道電源開關(guān)芯片（ STMPS2161STR），可持續(xù)通過1000mA的電流，具有熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)功能。U15是USB 2.0接口專用的ESD保護(hù)芯片。SD2是SD卡接口。RG4同樣是過流保護(hù)，CT9/CT10是電容濾波。R58和C13組成LC高通濾波器，在CLK時鐘線可以很好的改善EMI。R52～R55/R60～R63的上拉電阻可以使信號更加穩(wěn)定。

圖4 USB/SD和NAND FLASH設(shè)計

3 軟件設(shè)計

電子存儲器由于使用Linux操作系統(tǒng)，所以軟件的設(shè)計較為復(fù)雜。為了使數(shù)據(jù)存儲做到安全可靠，數(shù)據(jù)存儲的方式使用空間循環(huán)存儲。有限的存儲空間可以保存最長的時間數(shù)據(jù)?？梢苑乐褂脩粼诳截惖倪^程中數(shù)據(jù)丟失。

圖5 軟件處理流程圖

電子存儲器上電復(fù)位后，啟動Linux系統(tǒng)及初始化；然后檢測剩余空間是否少于設(shè)定閾值，根據(jù)用戶設(shè)定的策略提示用戶導(dǎo)出PDF文件或?qū)υ缙谖募詣觿h除。當(dāng)接收到控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)時，先進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，然后解析數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前記錄完整，則根據(jù)緩存數(shù)據(jù)生成PDF文件；如果需要生成趨勢圖，則根據(jù)緩存數(shù)據(jù)生成趨勢圖并插入到PDF文件中。然后將生產(chǎn)的PDF文檔保存到內(nèi)部的FLASH中。同時轉(zhuǎn)發(fā)接收數(shù)據(jù)發(fā)送給打印機(jī)。當(dāng)用戶插入U盤或SD卡時，存儲器將保存的數(shù)據(jù)拷貝到U盤或SD卡中。軟件處理流程圖如圖5所示。

4 小結(jié)

綜上所述，電子存儲器使用了新型的ARM926EJ高性能處理器NUC972，高度整合多種外設(shè)到一個芯片上，大大降低成本，減小體積。實(shí)物圖如圖6所示，設(shè)計出來的電路板尺寸比較小，再配合鋁合金型材外殼，使得該設(shè)備不僅外形優(yōu)美，而且實(shí)用性強(qiáng)。存儲器運(yùn)行精簡的Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定性好、U盤識別率高和存儲空間大[4]。該電子存儲器經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用測試，具有數(shù)據(jù)采集存儲可靠性高、數(shù)據(jù)處理速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。完全適用于高溫滅菌設(shè)備的溫度、壓力、流量等方面的數(shù)據(jù)采集和存儲。

圖6 電子存儲器實(shí)物圖