基于ARM的紡織機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常波 劉望

摘要：紡織企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高。設(shè)計(jì)了基于ARM的紡織機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及PC（上位機(jī)）組成，數(shù)據(jù)采集部分采用STM32F407芯片，數(shù)據(jù)傳輸部分采用ATKRM04模塊，數(shù)據(jù)采集部分與上位機(jī)間的通信以及數(shù)據(jù)傳輸采用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)能快速組網(wǎng)，運(yùn)行功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性能穩(wěn)健，可有效提高紡織企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ARM；數(shù)據(jù)采集；STM32F407；ATKRM04；WiFi

DOIDOI：10.11907/rjdk.161280

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007008603

0引言

紡織行業(yè)是我國(guó)的傳統(tǒng)行業(yè)，存在生產(chǎn)管理水平差、信息化程度低等問(wèn)題。紡織企業(yè)進(jìn)行了信息化改造，組建了生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，有效提升了紡織品生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控水平，但存在數(shù)據(jù)傳輸速率低、準(zhǔn)確性差等問(wèn)題。原有系統(tǒng)普遍采用總線方式傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)安裝環(huán)境要求相對(duì)苛刻，施工周期長(zhǎng)、維護(hù)不方便、擴(kuò)展性差、綜合成本較高。采用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可有效避免這些弊端，具有布網(wǎng)靈活、易于維護(hù)、擴(kuò)展性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，布設(shè)成本以及運(yùn)行、維護(hù)成本相對(duì)較低。

1開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本文基于ARM設(shè)計(jì)了紡織機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由3部分組成：①與底層傳感器相連的數(shù)據(jù)采集部分；②連接數(shù)據(jù)采集部分與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)傳輸部分；③運(yùn)行于PC機(jī)上的上位機(jī)系統(tǒng)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件主要由STM32F407ZGT芯片組成的最小系統(tǒng)擴(kuò)展而成，軟件部分則在Keil uVision5環(huán)境下開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸部分主要由ATKRM04模塊和工業(yè)路由器所組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成。運(yùn)行于PC機(jī)上的上位機(jī)管理系統(tǒng)在Visual C++ 6.0環(huán)境下開(kāi)發(fā)。

1.1STM32介紹

STM32系列是基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARMCortexM4內(nèi)核，STM32功耗36mA，是市場(chǎng)上32位產(chǎn)品中功耗最低的產(chǎn)品。

ARMCortexM4處理器是由ARM公司開(kāi)發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3的基礎(chǔ)上新加了浮點(diǎn)、DSP、并行計(jì)算并強(qiáng)化了運(yùn)算能力，用以滿足需要信號(hào)處理功能和混合數(shù)字控制信號(hào)市場(chǎng)，具有低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)。

1.2ATKRM04介紹

ATKRM04是ALIENTEK推出的一款高性能UARTETHWiFi模塊。ATKRM04模塊加載了HiLink公司的HLKRM04模塊，采用串口與MCU通信，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，能實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)線網(wǎng)、串口、以太網(wǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換。

通過(guò)ATKRM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下就可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

ATKRM04模塊支持RS232串口和LVTTL串口，支持DC6V～16V寬電壓工作范圍，支持串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)WiFi AP等連接形式，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)，ATKRM04還帶有路由器功能，完全可以當(dāng)作路由器使用。

1.3Keil介紹

Keil是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，Keil提供了包括C編譯器、鏈接器、庫(kù)管理、宏匯編和一個(gè)擁有強(qiáng)大功能的仿真調(diào)試器在內(nèi)的開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）使這些組合在一起。WIN98、NT、WIN2000、WINXP、WIN7、WIN8、WIN10等操作系統(tǒng)都可以運(yùn)行Keil軟件。如果使用C語(yǔ)言編程，那么Keil就是不二之選，即使不使用C語(yǔ)言編程而是用匯編語(yǔ)言編程，其簡(jiǎn)單方便的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)讓工作事半功倍。2013年10月，Keil公司正式發(fā)布了Keil μVision5版本。

1.4Visual C++ 6.0介紹

Visual C++是一款功能強(qiáng)大的可視化軟件開(kāi)發(fā)工具。自Microsoft公司1993年推出Visual C++1.0以后，相繼推出了許多新版本，現(xiàn)在已經(jīng)推出了Visual C++.7.0（Visual C++NET），但它在應(yīng)用上還是有很大的局限性，只適用于Windows 2000、Windows XP和Windows NT4.0系統(tǒng)平臺(tái)，所以，更多使用的是Visual C++6.0。Visual C++6.0由編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)ppWizard、類向?qū)lass Wizard等許多組件組成，這些組件通過(guò)一個(gè)名為Developer Studio的組件集成為和諧的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它不僅是一個(gè)C++編譯器，而且是一個(gè)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1C/OSII

μC/OSII操作系統(tǒng)絕大部分代碼是用ANSII的C語(yǔ)言編寫(xiě)的，有一小部分用匯編編寫(xiě)，以便供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC /OSII是一個(gè)可裁剪、可固化、可移植的實(shí)時(shí)搶占式多任務(wù)內(nèi)核。從8位到64位，μC/OSII已可以在超過(guò)40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。μC/OSII應(yīng)用廣泛，包括手機(jī)、飛行器、路由器、不間斷電源、集線器、工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備等很多領(lǐng)域。μC/OSII通過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試，得到美國(guó)航空管理局認(rèn)證，被允許用在飛行器等設(shè)備上。這說(shuō)明μC/OSII性能穩(wěn)定可靠，更重要的是μC/OSII 源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)。

2.2WiFi

WiFi技術(shù)指的是基于IEEE802.11 協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)接入技術(shù)，WiFi網(wǎng)絡(luò)可以無(wú)線接入，傳輸數(shù)據(jù)快且搭建成本低。

技術(shù)原理：以前各設(shè)備間通過(guò)網(wǎng)線連接，而無(wú)線WiFi則通過(guò)無(wú)線電波連接。最常見(jiàn)的是無(wú)線路由器，在無(wú)線路由器的有效電波覆蓋范圍內(nèi)都可以采用無(wú)線方式連接。如果無(wú)線路由器連接了一條ADSL線路或其它上網(wǎng)線路，則該路由器被稱為熱點(diǎn)。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸流程

根據(jù)車(chē)間每臺(tái)紡織機(jī)生產(chǎn)的獨(dú)立性和位置的相對(duì)分散性，本系統(tǒng)采用單臺(tái)采集加集中管理的控制方式，即每臺(tái)紡織機(jī)擁有自己的數(shù)據(jù)采集部分且各個(gè)數(shù)據(jù)采集部分相對(duì)獨(dú)立。上位機(jī)系統(tǒng)可以接收各個(gè)數(shù)據(jù)采集器上傳的數(shù)據(jù)并集中管理整個(gè)車(chē)間紡織機(jī)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其單臺(tái)紡織機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集部分與上位機(jī)系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式進(jìn)行雙向通信，數(shù)據(jù)采集部分向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

系統(tǒng)分3大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)系統(tǒng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊又可分為數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊分為通信連接模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。上位機(jī)系統(tǒng)模塊分為用戶管理模塊、顯示模塊、報(bào)表生成模塊。系統(tǒng)功能如圖3所示。

主要獲取紡織機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)信息如轉(zhuǎn)速、經(jīng)斷、緯斷、絞邊停、其它停以及溫、濕度傳感器上采集到的溫度、濕度信息。

數(shù)據(jù)上傳模塊：將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器上的歷史數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：當(dāng)通信中斷時(shí)，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以歷史數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)到本地存儲(chǔ)器上。

用戶管理模塊：用戶登錄管理和用戶權(quán)限管理。

顯示模塊：將紡織機(jī)的工作狀態(tài)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)在顯示器上顯示。

報(bào)表生成模塊：將采集到的信息生成報(bào)表，方便管理人員查看使用。

數(shù)據(jù)采集器與上位機(jī)系統(tǒng)連接的核心代碼如下：

5結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用STM32F407芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的處理器，體積小、功耗低、運(yùn)算能力強(qiáng)、中斷響應(yīng)快速。采用基于WiFi的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，組網(wǎng)靈活，施工周期短，可擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單快捷，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性高。應(yīng)用于紡織設(shè)備，對(duì)加快我國(guó)紡織企業(yè)信息化改造步伐具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

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