嵌入式人造濕法制革監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫 媛，郭 鍵

(北京物資學(xué)院，北京101149)

1 引言

濕法聚氨酯合成革是天然皮革的最佳替代品，它是將聚氨酯、樹脂的DMF(耳甲基甲酰胺)溶液添加各種助劑，制成漿料，浸漬或涂覆于基材上，然后放入與DMF具有親和性，而與聚氨酯、樹脂不親和性的水中，DMF被水置換，聚氨酯樹脂逐漸凝固，從而形成多孔性的薄膜(微孔聚氨酯粒面)。該薄膜被稱為貝斯(Bass)，薄膜經(jīng)表面處理裝飾后，如離型紙法工藝貼膜制成不同種類，風(fēng)格各異的聚氨酯合成革。溫濕度及DMF濃度的控制，影響著產(chǎn)品質(zhì)量，在整個生產(chǎn)過程中需要實(shí)時監(jiān)控，然而如果用人工直接檢測，接觸或吸入DMF溶劑對人體的肝臟造成急慢性損害，為了減少DMF溶劑會對人體的傷害，提高產(chǎn)品的溫濕度和DMF監(jiān)測精度，在設(shè)備改造的基礎(chǔ)上引入微機(jī)進(jìn)行自動控制，整個控制由基于AT89C52單片機(jī)采集器與控制中心的PC機(jī)組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各采集器完成溫濕度和DMF濃度的采集，數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)整、顯示、上傳和接收等，從而完成整個生產(chǎn)過程的智能控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)，遠(yuǎn)離DMF對人體的傷害，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

濕法聚氨酯合成革工藝加工設(shè)備有制漿設(shè)備、含浸槽、凝固槽、水洗槽、烘箱、冷卻、卷取裝置、DMF回收裝置等，在整個生產(chǎn)工藝中，在重要的環(huán)節(jié)安裝采集器，各采集器位置如圖1所示。

將各采集器作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，與PC主機(jī)組成基于RS485的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)RS－485作為一種多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信，它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。但是計(jì)算機(jī)本身不具有專用的RS－485通信口。由于RS－485與RS－232的工作電平不相同，工作方式與控制機(jī)理也有差別，利用現(xiàn)成的串口來實(shí)現(xiàn)RS－485通信時，還需要對硬件與軟件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。在串口采用了RS－232/RS485轉(zhuǎn)換卡，在溫度采集器中將MAX487與AT89C52單片機(jī)串行接口的TXD(發(fā)送)與RXD(接收)相連，可將TTL電壓轉(zhuǎn)換成RS485差分電壓與PC微機(jī)MAX485連接，完成了硬件的電平轉(zhuǎn)換功能。由此可見，接口轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)和PC機(jī)之間起橋梁作用，在硬件上是實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 濕法生產(chǎn)線自動控制采集點(diǎn)

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 節(jié)點(diǎn)采集器

3.1 節(jié)點(diǎn)采集器硬件結(jié)構(gòu)

安裝在每個采集點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是一樣的，其原理圖如圖3所示，主要由溫濕度和DMF濃度檢測兩組信號輸入、通信接口電路、鍵盤、LCD顯示器、E2PROM 24C16等組成。

圖3 節(jié)點(diǎn)采集器結(jié)構(gòu)

(1)本系統(tǒng)中DMF濃度檢測是脈沖表，單片機(jī)直接對脈沖表的脈沖輸出信號進(jìn)行采集。溫濕度傳感器通過差分A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)。

(2)采用虛擬串行總線技術(shù)，用單片機(jī)I/O口線擴(kuò)展了串行接口器件LCD液晶顯示器和8K E2PROM 24C16。LCD用來顯示表數(shù)據(jù)以及顯示發(fā)布的短信息等，所采用的液晶顯示模塊，內(nèi)置顯示RAM和驅(qū)動控制器，通過串行方法與單片機(jī)AT89C52相連。用24C16來存放有關(guān)的初始化信息、溫濕度和DMF濃度等信息。

(3)通過單片機(jī)的P0口線串行擴(kuò)展了簡易鍵盤，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。鍵盤為4×4結(jié)構(gòu)，其中有功能鍵和數(shù)字鍵，采用層次結(jié)構(gòu)管理鍵盤。

(4)通過MAX487完成單片機(jī)與RS－485總線連接。

3.2 采集器工作過程

采集器工作過程如下:上電復(fù)位自檢后，開始運(yùn)行，指示燈閃爍表示程序開始正常運(yùn)行，初始化LCD、溫濕度傳感器、DMF濃度、密碼、鍵盤、串口。然后進(jìn)入主程序循環(huán)，首先記錄溫濕度，DMF脈沖表數(shù)據(jù)，然后將上述兩種數(shù)據(jù)存入24C16中，查詢鍵盤，通過串口響應(yīng)PC機(jī)通信命令與主控PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采集報(bào)警(溫濕度、DMF超過警戒線)相關(guān)情況，有警情發(fā)出告警信號。記錄溫濕度、DMF的數(shù)據(jù)，并且顯示表讀數(shù)。設(shè)置密碼，修改密碼。與PC機(jī)之間接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。修改本機(jī)地址等。

3.3 采集器的容錯與數(shù)據(jù)安全

采用MAX706作為系統(tǒng)看門狗電路可有效的防止程序跑飛。經(jīng)過分析，整個程序運(yùn)行的時間周期為22.5ms，恰好解決了鍵盤和傳感器觸點(diǎn)抖動的問題。

但是當(dāng)系統(tǒng)掉電時并不能保證24C16中的數(shù)據(jù)安全，這是單片機(jī)系統(tǒng)最頭痛的問題。讀寫24C16的時間大約是600us，占整個程序運(yùn)行時間的3%左右。假設(shè)恰好在讀寫24C16的時候系統(tǒng)掉電，則數(shù)據(jù)的安全將不能保證。經(jīng)過對24C16功能的仔細(xì)研究最終找到了可行的辦法。初始化時，將相同的數(shù)據(jù)分別存入到24C16的3頁存儲區(qū)同一地址中，以后每次寫操作時都分別向這3頁寫入相同的數(shù)據(jù)。而讀操作時，將3頁的數(shù)據(jù)分別讀到RAM區(qū)，進(jìn)行比較。由于系統(tǒng)掉電時只可能影響到其中1頁數(shù)據(jù)。將3個數(shù)據(jù)比較，如果三者相同，說明數(shù)據(jù)是安全的。否則啟動校正程序，將兩個相同的數(shù)據(jù)拷貝到不同的那一頁。這種自我修復(fù)功能十分有效。

4 PC機(jī)與節(jié)點(diǎn)采集器的多機(jī)通信控制

4.1 通信原理

PC機(jī)與節(jié)點(diǎn)采集器(AT89C52單片機(jī))的串行通信程序由兩部分組成:一部分是PC機(jī)的通信程序，另一部分是單片機(jī)的通信程序。這兩部分雖然在不同的機(jī)器上編寫和運(yùn)行，但它們要做的工作是對應(yīng)的。一個發(fā)送時，另一個一定接收;反之，一個接收時，另一個一定發(fā)送，而且對應(yīng)發(fā)送和接收的字符都相等，否則失去通信的意義。因此，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，要制定通信協(xié)議，然后各自根據(jù)協(xié)議分別編制程序。

在PC機(jī)與多采集器(AT89C52單片機(jī))通信時，為了識別不同的采集器，一定要識別數(shù)據(jù)幀和地址幀，PC機(jī)和多單片機(jī)之間才能進(jìn)行正確的通信。但PC機(jī)的串行通信沒有這一功能，其串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)可設(shè)為與單片機(jī)串行格式匹配的11位格式，其中第9位是奇偶位。這11位數(shù)據(jù)幀由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位組成，其格式為:

其中，TB8是可編程位，通過使其為0或?yàn)?而將數(shù)據(jù)和地址幀區(qū)別開來。

起始位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7奇偶位 停止位

而AT89C52單片機(jī)多機(jī)通信的典型數(shù)據(jù)幀格式為:

起始位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 TB8停止位

比較上面兩種數(shù)據(jù)格式可知:它們的數(shù)據(jù)位長度相同，不同的僅在于奇偶校驗(yàn)位和TB8。如果通過軟件的方法可以編程PC機(jī)的串口通信的奇偶校驗(yàn)位，使得在發(fā)送地址時為“1”，發(fā)送數(shù)據(jù)時為“0”，則PC機(jī)的串行口通信的奇偶校驗(yàn)位就可以完全模擬單片機(jī)多機(jī)通信的TB8位。對于這一點(diǎn)是不難辦到的，可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中PC機(jī)是用VB的通信控件MSComm的Settings屬性實(shí)現(xiàn)的。

4.2 PC機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)

PC主機(jī)與各采集器的通信方式采用輪詢模式，輪詢模式是在以一個設(shè)備為主機(jī)(PC主機(jī))而其他設(shè)備為從機(jī)(采集器)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用的。多點(diǎn)系統(tǒng)必須在多個站點(diǎn)，而不是僅僅兩個之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此在這種情況下，要確定哪一個站點(diǎn)有權(quán)使用信道。一般認(rèn)為，VB6.0的通信控件MSComm只能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信，而無法實(shí)現(xiàn)對分布式采集器節(jié)點(diǎn)機(jī)群的控制，因此在PC機(jī)允許的串行通信幀格式中利用奇偶校驗(yàn)來模擬產(chǎn)生多機(jī)系統(tǒng)中必須的地址/數(shù)據(jù)使能位，才能實(shí)現(xiàn)對分布式采集器群的控制。通過對VB6.0環(huán)境下的串行通信控件MSComm屬性以及串行信息幀格式的深入研究，提出了直接利用串行通信控件MSComm的有關(guān)屬性，保證串行通信幀的奇偶位隨傳送地址或數(shù)據(jù)的變化而動態(tài)變化。可通過動態(tài)設(shè)定MSComm控件的Settings屬性中的奇偶方式P值，以串行通信幀中奇偶位的變化來模擬多機(jī)通信時地址/數(shù)據(jù)使能位，當(dāng)發(fā)送地址幀時保證奇偶校驗(yàn)位為“1”，發(fā)送數(shù)據(jù)幀時保證奇偶校驗(yàn)位為“0”。

其屬性設(shè)置為:

(1)MSComm1.Settings=“9600，m，8，1”‘波特率9600bps，MARK狀態(tài)(地址使能位)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

(2)MSComm1.Settings=“9600，s，8，1”‘波特率9600bps，SPACE狀態(tài)(數(shù)據(jù)使能位)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

(3)InBufferCount:傳回在接收寄存器中的字符，InBufferCount屬性設(shè)為0，用來清除寄存器。

(4)InputMode:設(shè)置或傳回Input屬性取回?cái)?shù)據(jù)的形式。

ComInputModeText:0以文字形式取回

ComInputModeBinary:1以二進(jìn)制形式取回

發(fā)送數(shù)據(jù)過程:

發(fā)送端口號 → 發(fā)送從機(jī)地址 → 發(fā)送命令及數(shù)據(jù) → 等待 → 接收從機(jī)回應(yīng) → 判斷地址 → 完成

接收數(shù)據(jù)過程:

發(fā)送端口號→發(fā)送從機(jī)地址→發(fā)送命令→等待→接收從機(jī)地址及數(shù)據(jù)→判斷地址→判斷校驗(yàn)和→完成

4.3 節(jié)點(diǎn)采集器通信軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)采集器采用的是AT89C52單片機(jī)，用匯編語言編程，多采集器與主機(jī)之間的通信，通過串行口中斷來實(shí)現(xiàn)。采集器有很多個，采用單片機(jī)的多機(jī)通信來實(shí)現(xiàn)，主要靠主從機(jī)之間正確地設(shè)置與判斷單片機(jī)的多機(jī)通信控制位SM2和發(fā)送接收第9位(地址/數(shù)據(jù)識別位)來進(jìn)行。

采用串行口工作方式3的多機(jī)通信方式，首先給各從機(jī)定義地址編號，主機(jī)用此地址識別從機(jī)。初始化時置所有從機(jī)SM2位為1，使之都處于監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送一地址幀時，所有從機(jī)接收地址幀，與本機(jī)地址比較，地址不符維持SM2=1的監(jiān)聽狀態(tài)。地址相符時置SM2=0，轉(zhuǎn)入接收主機(jī)發(fā)送的命令，然后再根據(jù)該命令類別進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與被巡從機(jī)之間通信，通信完畢SM2=1，恢復(fù)監(jiān)聽狀態(tài)。

采集器單片機(jī)串口通信初始化:

(1)串行數(shù)據(jù)的傳送采用串行口中斷。中斷允許寄存器IE，中斷允許，開串口。

(2)串行口控制寄存器SCON為方式3，允許接收。

(3)定時器T1作波特率發(fā)生器使用，定時器選用自動重裝載方式，即方式2。TL1作計(jì)數(shù)用，自動重裝載值放在TH1內(nèi)。定時器初始值為:

(4)初始化時串行口處于接收狀態(tài)，將MAX487的發(fā)送接收使能端設(shè)為接收狀態(tài)。

(5)啟動定時器。

多機(jī)通信的從機(jī)中斷服務(wù)程序如圖4所示。

圖4 采集器多機(jī)通信從機(jī)中斷服務(wù)程序

在沒有收到PC機(jī)發(fā)送的命令之前，所有的采集器都處于監(jiān)聽狀態(tài)，即接收地址幀狀態(tài)(SM2=1)，對應(yīng)的PC機(jī)是發(fā)送地址幀狀態(tài)(MARK狀態(tài))，當(dāng)接收到的地址與本采集器地址相符時，只有本采集器進(jìn)入接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)(SM2=0)，相應(yīng)的PC進(jìn)入發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)(SPACE狀態(tài))，控制其開始接收命令，命令又分為兩大部分，有發(fā)送命令和接收命令兩大類:①若是發(fā)送命令，將采集器的地址回發(fā)給PC機(jī)，然后根據(jù)命令發(fā)送給PC機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù);②若是接收命令，同樣也將本采集的地址回發(fā)給PC機(jī)，然后接收PC機(jī)發(fā)給本采集器的數(shù)據(jù)，處理完數(shù)據(jù)之后，例如檢驗(yàn)和校驗(yàn)之后，將數(shù)據(jù)存入24C16中，以備采集器中相應(yīng)的程序調(diào)用。

本采集器完成與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交互之后，恢復(fù)監(jiān)聽狀態(tài)(SM2=1)，與其他采集器一樣等待PC機(jī)的巡檢。

5 結(jié)束語

制革行業(yè)污染嚴(yán)重，制革使用的溶劑對人體有傷害，因此為了減少環(huán)境污染和對人體的傷害，最好采取密閉生產(chǎn)的方式。我國制革企業(yè)一般都是規(guī)模小的民營企業(yè)，設(shè)備大多數(shù)是日本進(jìn)口，也有部分是臺灣大陸制造的，由于這些企業(yè)資金有限，很多時候明知污染嚴(yán)重，還需要人工直接接觸，監(jiān)控生產(chǎn)。基于以上情況本系統(tǒng)在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，用較少的資金，進(jìn)行設(shè)備改造，力求生產(chǎn)線在中控室集中控制，達(dá)到密閉自動生產(chǎn)的目的，選擇RS－485總線方式作為測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，減少了成本，采用AT89C52單片機(jī)作為采樣節(jié)點(diǎn)的微處理機(jī)，能夠完成對采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的控制。該設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成功調(diào)試，并運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了高精度、可靠性強(qiáng)，并有效地降低了成本，對類似的數(shù)據(jù)采集有借鑒作用。

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