基于Arduino的測控終端快速樣機設計

周云鵬

基于Arduino的測控終端快速樣機設計

周云鵬

（薩維奧（山東）紡織機械有限公司，山東 濟寧 272100）

為滿足日益增長的物聯(lián)網(wǎng)終端需求，引入基于開源硬件Arduino的快速樣機設計理念，本樣機為積木式設計，其組成為8路繼電器輸出，4路光耦輸入，3路4～20 mA電流輸入。該理念可快速響應智能制造實際或社會應急性需求，設計低成本測控終端。

Arduino；測控系統(tǒng)；開源硬件；快速樣機

在智能制造自動化設計中，PLC是比較常見的流程控制模塊，它經(jīng)常與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)集成在一起，其缺點是成本較高[1]。而目前隨著低成本開源硬件教育以及物聯(lián)網(wǎng)的普及，開源硬件在高校、企業(yè)中認知度越來越高[2]。因此，可根據(jù)企業(yè)、高校自身人才儲備情況，對一些中小型或社會應急性項目（如新型肺炎的防治[3]），借鑒成熟的開源軟硬件架構，選用和設計合適的模塊，快速構建樣機，加快研發(fā)進度，產(chǎn)生經(jīng)濟或社會效益。

1 系統(tǒng)架構圖

本設計通訊模式采用當前廣泛流行的工業(yè)以太網(wǎng)技術，各個測控終端具有獨立IP，并通過RJ45網(wǎng)口連接至同一個局域網(wǎng)中，上位機通過集線器監(jiān)控各個終端，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 下位機終端設計

開源硬件眾多，有Arduino、樹莓派等，本設計選擇普及程度較高的Arduino UNO Rev3核心板，擴展模塊自行設計。Arduino是基于ATmega328P的開源硬件，有14個數(shù)字輸入輸出口（其中6個可用來PWM輸出），6個模擬量輸入口，16 MHz晶振，32 KB的Flash內(nèi)存等，構成了一個簡單的微型單片機系統(tǒng)。

電路板設計軟件選用開源軟件KiCAD。其優(yōu)點為，可選擇Arduino模板，使之兼容其排針，即插即用積木式設計。

電源選用+24 VDC輸入，降壓模塊選用經(jīng)開關穩(wěn)壓集成芯片LM2575-5.0BU，將+24 V降壓至+5 V[4]，供電給Arduino模塊，如圖2所示。

光耦輸入通道的設計：選用4個EL817光耦芯片，構成4路光耦通道，電路如圖3所示。該通道可接受普通干接點傳感器、NPN型、PNP型傳感器的信號。

圖2 電源模塊

圖3 光耦輸入電路

0～5 V（4～20 mA）輸入通道設計：3路模擬信號輸入量可以檢測輸入的模擬信號，當無跳線時，可輸入0～5 V電壓；當有跳線時，R1為取樣電阻，可將兩線制4～20 mA的標準工業(yè)電流輸入信號轉化為0～5 V信號，電路如圖4所示。

圖4 模擬信號輸入電路

繼電輸出通道的設計：工業(yè)設備消耗的電流一般較Arduino輸出口電流要大，Arduino最大拉電流或灌電流為40 mA，若直接輸出控制電磁閥或繼電器，可能會導致IO口永久性損壞，因此選用大電流達靈頓結構的ULN2803驅動芯片，該芯片有8個通道，每個通道最大可驅動500 mA電流，可以直接驅動電磁閥、白熾燈、繼電器等。本方案選用松下DSP2A-DC24V繼電器，它有1個常開觸點、1個常閉觸點，觸點通過電壓30 VDC或250 VAC時，最大設計電流為5 A，電路如圖5所示。輸入輸出接口定義如表1、表2、表3所示。

圖5 終端輸出電路

表1 終端輸出口與Arduino引腳對應表

輸出口NCCOMNO…NCCOMNO 繼電器1…繼電器8 引腳D2D3~D8D9

表2 終端輸入口Arduino引腳對應表1

輸出口+﹣…+﹣ 光耦1光耦2～3光耦4 引腳A0A1～A2A3

表3 終端輸入口Arduino引腳對應表2

輸出口+﹣+﹣+﹣ 模擬1模擬2模擬3 引腳A4A5A6

通訊方式選用TCP/IP協(xié)議，ENJ28J60等傳統(tǒng)的以太網(wǎng)芯片編程復雜，本設計選用W5500芯片，它是一款全硬件以太網(wǎng)芯片，支持TCP、UDP等協(xié)議，其SPI接口可與Arduino直接相連，編程簡單。以太網(wǎng)連接器選用帶有變壓器結構的HY911105A可與W5500直接相連，內(nèi)部網(wǎng)絡接口如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡接口圖

Arduino IDE界面簡單易用，軟件設計時，可參考借鑒開源社區(qū)眾多優(yōu)秀的開源文件。

3 上位機設計

本設計選擇工控中比較常用的VB.net，該軟件使用簡單，建模迅速，軟件界面如圖7所示。

圖7 上位機界面

4 結語

本文提出了一種基于開源硬件Arduino的快速樣機技術。其創(chuàng)新點在于為開放型設計，可根據(jù)智能制造設計或社會應急性項目實際情況，選用開源硬件，通過積木式設計，增刪模塊，快速設計測控終端，大大降低了研發(fā)成本和研發(fā)周期，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟或社會效益。

［1］HEIKKINEN I T S，SAVIN H，PARTANEN J，et al.Towards national policy for open source hardware research:the case of finland［J］.Technological Forecasting and Social Change，2020（155）：1-7.

［2］雒亮，祝智庭.開源硬件：撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿［J］.中國電化教育，2015（4）：7-14.

［3］何超，林雁飛，周云鵬.模擬電子技術新編［M］.北京：清華大學出版社，2012.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.019

2095－6835（2020）18－0052－02

周云鵬（1981—），男，山東濰坊人，碩士，機械制造工程師，機械工程講師，從事機電一體化（智能制造方向）研究與項目管理。

〔編輯：王霞〕