陳秀秀，張小美，楊永杰，許 鵬

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通226019）

0 引 言

海纜生產(chǎn)過程中所需的生產(chǎn)設(shè)備較多、傳輸?shù)男畔⒘枯^大，常常受到電磁和信道傳輸?shù)雀蓴_，導(dǎo)致海纜生產(chǎn)線上數(shù)據(jù)采集與傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和易受干擾等問題，因此管理人員無法準(zhǔn)確查看前端各生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)信息。目前，國內(nèi)外針對(duì)海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)暫時(shí)沒有提出一套完整的設(shè)計(jì)方案，本文提出海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集中器設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于硬件上采用了基于ARM 公司推出的Cortex－M4F構(gòu)架設(shè)計(jì)的器件TM4C123為主控芯片，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸采用相關(guān)算法處理，有效避免了數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和易受干擾等問題，并應(yīng)用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，管理人員可以通過客戶端瀏覽器查看海纜生產(chǎn)信息并進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集中器具有數(shù)據(jù)傳輸抗干擾和智能遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、儀表數(shù)據(jù)采集和能源管理等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

1 海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于海纜車間范圍大，在數(shù)據(jù)采集和傳輸時(shí)若全部使用WIFI覆蓋比較困難，在所有生產(chǎn)線上架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)成本又太高，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)只能獲取部分關(guān)鍵生產(chǎn)線信息，無法獲取所有信息。鑒于上述情況，在原系統(tǒng)中加入集中器的設(shè)計(jì)以更好的完成數(shù)據(jù)的傳輸，本采集系統(tǒng)采用 “三層構(gòu)架”，如圖1所示。

圖1 海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

（1）采集層：每個(gè)采集器通過RS485通信或者傳感器等方式實(shí)時(shí)采集每條生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)信息，如該條生產(chǎn)線上使用的材料、工藝和轉(zhuǎn)速等。其中，每3 個(gè)采集器對(duì)應(yīng)一個(gè)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器采集完數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理之后，根據(jù)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(yīng)的集中器傳輸數(shù)據(jù) （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(jù)實(shí)時(shí)傳輸指令向集中器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

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

（3）管理層：將集中器、服務(wù)器和管理中心構(gòu)建于一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，為其中每臺(tái)設(shè)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(wù)器IP地址，登陸客戶端瀏覽器查看集中器發(fā)送過來的數(shù)據(jù) （集中器每10min通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器），監(jiān)控每條生產(chǎn)線的海纜生產(chǎn)情況，或者根據(jù)生產(chǎn)需要直接訪問嵌入式WEB服務(wù)器 （即集中器）查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 集中器的硬件設(shè)計(jì)

海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集中器位于本系統(tǒng)的傳輸層，負(fù)責(zé)收集采集層數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至管理層服務(wù)器或管理中心，可見集中器在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其主要包括：TM4C123主控制單元模塊、液晶顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)框架

其中，液晶顯示模塊選用驅(qū)動(dòng)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(shè)置了 “清屏”和 “查看”按鈕，工作人員不僅可以觀測到當(dāng)前的生產(chǎn)信息，還可以對(duì)液晶顯示界面進(jìn)行清屏操作，或者查看歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其為現(xiàn)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(tǒng)時(shí)鐘模塊選用SD2405 模塊，它是具有串行總線（IIC）接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，IIC 功能接口通過I／O 口模擬得到，其可為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供精確的時(shí)鐘計(jì)時(shí)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用SD 存儲(chǔ)卡，采用串行外圍設(shè)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(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間；在鍵盤輸入模塊的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了開關(guān)和復(fù)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(duì)集中器的影響至關(guān)重要，該模塊選擇的是TI公司生產(chǎn)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(shù)引腳具有兩種以上可復(fù)用的功能，其提供出色的計(jì)算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力等，是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇芯片［1］。

2.2 無線通信模塊

由于生產(chǎn)車間沒有鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，兼顧到數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)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(chǎn)的APC250無線模塊。該模塊采用高效的循環(huán)糾錯(cuò)編碼，抗干擾性能和靈敏度都大大提高，達(dá)1800 米傳輸距離。該模塊只有7 個(gè)引腳，與其它無線模塊相比很大程度上簡化了硬件接口設(shè)計(jì)，APC250與主控芯片的連接如圖3所示。

在本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(hào)強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

集中器的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用的是Microchip Technology生產(chǎn)的符合IEEE802.3 全部規(guī)范的以太網(wǎng)控制器ENC28J60。它只有28 個(gè)引腳，既大大簡化了相關(guān)硬件設(shè)計(jì)，又為嵌入式遠(yuǎn)程通信提供了低引腳數(shù)、低成本且高效可靠的 解 決 方 案［2，3］。ENC28J60 內(nèi) 部 集 成 了TX／RX 緩 沖器、MAC介質(zhì)訪問控制模塊和PHY 物理層模塊，另外還需要加上以太網(wǎng)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(hào)，RST 為模塊復(fù)位信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用HR911105A 為集成以太網(wǎng)隔離變壓器RJ45插座。

3 集中器的軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)集中器的數(shù)據(jù)傳輸抗干擾和用戶智能遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，其主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。其軟件設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)，并針對(duì)抗干擾的設(shè)計(jì)需求采用相關(guān)算法處理。在與管理中心通信部分，采用嵌入式以太網(wǎng)通信技術(shù)，根據(jù)用戶需求，集中器通過ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器或客戶端瀏覽器，并完成嵌入式WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)。在這里主要介紹這兩部分設(shè)計(jì)方案。

圖5 集中器主程序設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)處理。由于其內(nèi)部已嵌入高速單片機(jī)，能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的初始化程序，數(shù)據(jù)傳輸通過串口通信即可，在這里使用UART1 串口，其程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

為避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)的干擾和不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行相關(guān)算法處理：①在采集器發(fā)送端先設(shè)定好數(shù)據(jù)幀特定的傳輸格式，包括每幀數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束字符等，在集中器接收端通過檢測數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束字符，用以判斷數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；②在檢測數(shù)據(jù)接收完整之后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行奇校驗(yàn)，即在數(shù)據(jù)幀結(jié)束字符之后再加一位校驗(yàn)位，在接收端檢測與發(fā)送端校驗(yàn)位是否一致，若不一致則說明數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，發(fā)送指令重新獲取數(shù)據(jù)；③若經(jīng)過上述兩步檢測數(shù)據(jù)傳輸均無誤的條件下，集中器向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸正確的指令，用以標(biāo)志此次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。經(jīng)過上述算法處理，在一定程度上保證了大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾麩o誤，有效的避免了傳輸時(shí)數(shù)據(jù)間的干擾和不穩(wěn)定現(xiàn)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(wǎng)技術(shù)，通過ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至局域網(wǎng)，其中包括相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、uIP協(xié)議棧移植和嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)等。

圖6 APC250程序設(shè)計(jì)流程

3.2.1 ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

對(duì)以太網(wǎng)控制器ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)ENC28J60 的控制基礎(chǔ)上才能使系統(tǒng)成功的接入網(wǎng)絡(luò)［4，5］。ENC28J60驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括初始化程序、發(fā)送數(shù)據(jù)包程序和接收數(shù)據(jù)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(shè)置相關(guān)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(gè)振蕩器起振定時(shí)器，它用來保證在使用振蕩器和集成PHY 寄存器之前相關(guān)的寄存器和緩存已經(jīng)穩(wěn)定，若查詢ESTAT 寄存器的CLKRDY 標(biāo)志位置1時(shí)，此時(shí)表明系統(tǒng)已穩(wěn)定，才可進(jìn)行相關(guān)的初始化。

3.2.2 uIP協(xié)議棧移植

uIP協(xié)議棧去除了完整的TCP／IP 協(xié)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(shí)例程序且完全公開，對(duì)程序開發(fā)人員來說非常方便閱讀和移植［6］。uIP協(xié)議棧主要提供了兩個(gè)接口函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用，分別是uip＿input（）處理輸入包函數(shù)和uip＿periodic（）處理周期計(jì)時(shí)事件函數(shù)，與應(yīng)用層程序的聯(lián)系主要是通過UIP＿APPCALL函數(shù)［7，8］。

圖7 ENC28J60初始化流程

在本程序設(shè)計(jì)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(gè)文件夾，一個(gè)是uIP＿1.0文件夾，用于存放uIP1.0源碼；另一個(gè)是uIP＿APP 文件夾，用于存放uIP 相關(guān)協(xié)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡初始化、讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)包，然后由TM4C123 主控芯片提供定時(shí)器做時(shí)鐘，為TCP和ARP提供定時(shí)器服務(wù)，最后設(shè)置TCP監(jiān)聽端口數(shù)、最大連接數(shù)等參數(shù)。uIP事件通過主程序中uip＿polling （）函數(shù)輪詢處理，即需要將此函數(shù)加入到主循環(huán)程序中。

3.2.3 嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，采用公共網(wǎng)關(guān)接口技術(shù) （CGI）來實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端之間的動(dòng)態(tài)交互［9］。CGI是一種用于定義WEB服務(wù)器與外部程序之間通信方式的標(biāo)準(zhǔn)，其功能是利用HTTP協(xié)議在客戶端與服務(wù)器主機(jī)應(yīng)用程序之間進(jìn)行信息的傳遞［10，11］。對(duì)于嵌入式WEB 服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用C 語言編寫CGI程序，HTTP 請(qǐng)求采用GET 方法，CGI程序依據(jù)環(huán)境變量獲得請(qǐng)求信息之后，調(diào)用相應(yīng)的CGI函數(shù)，對(duì)接收的信息進(jìn)行分析處理并生成一個(gè)網(wǎng)頁，并將處理結(jié)果返回給WEB服務(wù)器，最終由服務(wù)器發(fā)送給瀏覽器［12］。

圖8 uIP協(xié)議移植流程

4 測試結(jié)果

該生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集中器設(shè)計(jì)已經(jīng)在中天科技海纜有限公司進(jìn)行了現(xiàn)場測試，共測試了如圖1所示的9條生產(chǎn)線，用戶通過任意瀏覽器輸入服務(wù)器的IP地址即可訪問服務(wù)器，按下 “啟動(dòng)采集”之后出現(xiàn)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(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖9 客戶端訪問服務(wù)器頁面

如管理人員需查看某條生產(chǎn)線實(shí)時(shí)的海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，首先點(diǎn)擊圖9中的 “實(shí)時(shí)傳輸”按鈕，出現(xiàn)3 個(gè)集中器供選擇；然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的集中器，則鏈接到客戶端訪問嵌入式WEB 服務(wù)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(chǎn)線。

圖10 客戶端訪問嵌入式WEB服務(wù)器頁面

如圖10所示，在實(shí)際測試中選擇的是7號(hào)生產(chǎn)線。在每幀數(shù)據(jù)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(chǎn)信息如下： “SOFC－BSK14”為產(chǎn)品型號(hào)， “7”為生產(chǎn)線號(hào)，“20140409”為采集器采集的時(shí)間 （年月日）， “10：20”為采集的時(shí)刻（時(shí)分），“M5”為該條生產(chǎn)線使用的材料編號(hào)（該類型海纜生產(chǎn)過程中一共使用到6種類型材料，分別將其從“M1”至“M6”編號(hào)），“T4”為該條生產(chǎn)線使用的工藝類型（在整個(gè)生產(chǎn)過程中需要用到5種工藝，分別將其從“T1”至“T5”編號(hào)），“3”為該條生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)速 （r／min），“24”為該條生產(chǎn)線上生產(chǎn)帶每分鐘走過的長度（m）。

在該系統(tǒng)中，首先每個(gè)采集器對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)采集每條生產(chǎn)線的海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，然后采集器通過無線通信將數(shù)據(jù)傳送給集中器，集中器經(jīng)校驗(yàn)之后通過有線通信將數(shù)據(jù)傳送至局域網(wǎng)，最后管理人員可以通過客戶端瀏覽器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能遠(yuǎn)程監(jiān)控。由現(xiàn)場測試結(jié)果可以看到，該集中器的設(shè)計(jì)達(dá)到了抗干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性高和智能遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

5 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式以太網(wǎng)通信的集中器設(shè)計(jì)，采用的主控芯片TM4C123 是最新的ARM Cortex－M4F 構(gòu)架設(shè)計(jì)的器件，并完成了集中器各部分的軟硬件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中，集中器與采集器通信部分加入了相關(guān)算法，有效的避免了數(shù)據(jù)傳輸干擾；集中器與管理中心通信部分結(jié)合嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，管理人員通過客戶端瀏覽器可對(duì)海纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并進(jìn)行相關(guān)操作?，F(xiàn)場測試驗(yàn)證了該集中器具有數(shù)據(jù)傳輸抗干擾強(qiáng)和智能遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)巧妙的結(jié)合，同樣可以應(yīng)用于電能表、溫度表和煤氣表等儀表的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)中，也可以廣泛應(yīng)用于智能家居、汽車監(jiān)控、醫(yī)療儀器以及能源管理等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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