隨著我國(guó)制造業(yè)信息化和工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，制造企業(yè)對(duì)MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))與ERP系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)．其核心之一的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集對(duì)實(shí)時(shí)性、可讀性以及與數(shù)據(jù)中心的兼容性有了新要求。自打印機(jī)問(wèn)世以來(lái)，數(shù)控機(jī)床開始配備打印口和打印功能，機(jī)床保存數(shù)據(jù)的做法通常是將記錄有生產(chǎn)數(shù)據(jù)或圖形打印到紙上，再進(jìn)行存檔。這種做法打印效率低、成本高、保存限制大。相比之下，電子數(shù)據(jù)的保存有如下相對(duì)優(yōu)勢(shì)：
(1)打印實(shí)時(shí)且快速；
(2)打印無(wú)需紙張粉墨，可通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至上位機(jī)、服務(wù)器；
(3)打印后的數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器等大型電子存儲(chǔ)空間，相對(duì)較好保存。
基于這樣背景，本文提出“虛擬化打印機(jī)”的概念，通過(guò)這個(gè)由嵌入式系統(tǒng)虛擬成的“打印機(jī)”與設(shè)備通訊．從而獲取完整真實(shí)的打印數(shù)據(jù)。結(jié)合現(xiàn)有通用接口協(xié)議和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，本文比較幾種打印數(shù)據(jù)采集方法．提出一種通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M化打印機(jī)設(shè)計(jì)方案，滿足在先進(jìn)制造工業(yè)上信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需求�；凇疤摂M化打印機(jī)”的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)已于2010年在上海采埃孚轉(zhuǎn)向機(jī)系統(tǒng)的某調(diào)試臺(tái)某工位的設(shè)備上應(yīng)用。
1 研究對(duì)象與方案比較
本文針對(duì)的是工業(yè)用并口打印數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，并行口傳輸?shù)木嚯x短(2m左右)，因此是在設(shè)計(jì)虛擬化打印機(jī)中最需要考慮改進(jìn)的方面，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的通訊與傳輸接口的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)備支持的通訊協(xié)議、系統(tǒng)芯片的功能設(shè)計(jì)兩者通訊的連接方式與通訊模式。
并口硬件是由8條數(shù)據(jù)線、4條控制線和5條狀態(tài)線組成，它們分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的寄存器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，其中2～9引腳作為數(shù)據(jù)位并行收發(fā)數(shù)據(jù)�？刂莆缓蜖顟B(tài)位分別做通訊信號(hào)的輸出與輸入，該協(xié)議的讀寫時(shí)序如圖1所示。
圖1 SPP讀寫時(shí)序圖
針對(duì)工業(yè)用數(shù)據(jù)采集，工業(yè)常用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議有基于串行口的RS-232,RS-485,CAN等，基于并行口的SPP,ECP,EPP等，USB以及以太網(wǎng)等。結(jié)合現(xiàn)階段的研究成果，提出如下幾種解決方案，實(shí)現(xiàn)虛擬化打印功能。
1.1基于FPGA設(shè)計(jì)方案
考慮RS-232串行接口常用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的連接，其特點(diǎn)是傳輸速度相對(duì)較慢，但傳送距離較遠(yuǎn)。因此提出C51單片機(jī)結(jié)合FPGA的數(shù)據(jù)采集:首先把傳送到SPP接口的打印數(shù)據(jù)由FPGA邏輯芯片進(jìn)行模擬接收，然后由單片機(jī)進(jìn)行采集和預(yù)處理，再?gòu)拇锌诎巡杉降臄?shù)據(jù)發(fā)送到PC的操作軟件做后續(xù)處理。
其不足在于硬件上除了51單片機(jī)處理外還需要一塊FPGA芯片如EPM7032進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞，同樣軟件成本上需要針對(duì)FPGA芯片的開發(fā)，系統(tǒng)的開發(fā)成本較高。
1.2基于USB主控制器設(shè)計(jì)方案
USB具有許多串行總線技術(shù)不具有的新特性，因此提出打印口與USB的轉(zhuǎn)換通訊。利用單片機(jī)和USB主控制器如CH373芯片，接收儀器的打印指令，并將指令轉(zhuǎn)換為指定打印機(jī)的指令，使單片機(jī)接收打印口數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)給USB打印機(jī)達(dá)到控制USB打印機(jī)打印數(shù)據(jù)。
該方案優(yōu)點(diǎn)在于使用USB接口通訊，傳輸速度和距離有一定提高，適用于USB端直接USB打印機(jī)打印，若設(shè)計(jì)接入上位機(jī)，則需要編寫上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和通訊程序。
2 打印口-串口虛擬化打印機(jī)設(shè)計(jì)
結(jié)合現(xiàn)有常用工業(yè)接口協(xié)議，本文提出基于打印口一串口的虛擬化打印機(jī)方案。本方案利用單片機(jī)I/O口、緩存空間、中斷服務(wù)、定時(shí)器等，通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制數(shù)據(jù)的讀寫和與打印口的握手通訊等，通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS232協(xié)議數(shù)據(jù)的輸出。較以往方案，本方案綜合考慮軟硬件開發(fā)成本、使用可靠度、通用程度等更符合實(shí)際工業(yè)開發(fā)需求，并成功應(yīng)用于某打印口輸出的數(shù)控設(shè)備的虛擬化打印實(shí)現(xiàn)，效果理想。
2.1硬件設(shè)計(jì)
選用STC89G51單片機(jī)，89C51與8051系列芯片完全兼容，具有4KB的FLASH可編程、可擦除PEROM和兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘頻率可達(dá)到24MHz。系統(tǒng)可提供多級(jí)中斷服務(wù)。單片機(jī)I/O口與25針打印口連接方式如表1。PO口做數(shù)據(jù)總線;打印口nSTROBE作為單片機(jī)中斷信號(hào)INTO;特別地，作為虛擬化打印機(jī)，不存在缺紙等不正常的情況，故PE等狀態(tài)位接正常電平。該方案的“虛擬化打印機(jī)”和數(shù)控設(shè)備通訊主要通過(guò)8位數(shù)據(jù)位、nSTROBE與AUTOFEED兩個(gè)控制位和nACK一個(gè)狀態(tài)位。
表1 單片機(jī)與設(shè)備通訊連線
信號(hào)輸出部分，讀入的打印口信號(hào)被轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)將通過(guò)STC89C51的P3.0 , P3.1端口(即串行輸入輸出端)輸出。所以在單片機(jī)串行通訊時(shí)，選擇使用MAX232芯片進(jìn)行TTL-->RS232電平轉(zhuǎn)換。
2.2軟件設(shè)計(jì)
來(lái)自打印口nSTROBE握手信號(hào)作為外部中斷源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和傳輸，單片機(jī)程序邏輯如圖2所示。上位機(jī)軟件用MFC編寫，其核心是串口數(shù)據(jù)的讀取和打印語(yǔ)言的編譯，從而將設(shè)備打印口數(shù)據(jù)還原成直觀的目標(biāo)圖形。
圖2單片機(jī)數(shù)據(jù)讀寫程序流程圖
3 打印口-以太網(wǎng)虛擬化打印機(jī)設(shè)計(jì)
考慮工業(yè)以太網(wǎng)的迅速普及，數(shù)據(jù)中心逐漸成熟，設(shè)計(jì)基于打印口一以太網(wǎng)虛擬化打印機(jī)，摒棄現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，做到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。
3.1硬件選型及設(shè)計(jì)
選擇STM32互聯(lián)系列微控制器STM32F 107芯片作為本方案的處理器。該款芯片帶一個(gè)10/100以太網(wǎng)MAC(媒體訪問(wèn)控制器)，該款芯片不但支持以太網(wǎng)通訊，適合本文的設(shè)計(jì)要求，且擁有成本低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)數(shù)控設(shè)備的改造系統(tǒng)。
選擇RTL8201BL MII/SNI接口可選的單端口物理層收發(fā)器，它可實(shí)現(xiàn)所有的10/100M以太網(wǎng)物理層的功能。將RTL8201 BL連接到物理LAN總線上，可以通過(guò)STM32F 107的M川介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。MCU的GPIO(通用輸入/輸出)的PortA(DO-D7)和Port B(DO-D2)分別作為數(shù)據(jù)位與控制位。根據(jù)SPP打印口通訊協(xié)議，通過(guò)STM32的軟件設(shè)計(jì)來(lái)控制UO口的通訊，其中GPIO Port B的DO位(nSTROBE信號(hào))定義為MCU的EXTIO(外部中斷0)。方案硬件的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 打印口-以太網(wǎng)虛擬化打印機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖
3.2軟件設(shè)計(jì)
3.2.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析
LWIP(輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧)是一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。該協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運(yùn)行。從而適合在嵌入式結(jié)合開發(fā)成本與實(shí)際通訊可靠性，本方案也選擇LWIP協(xié)議棧并基于TCP(傳輸控制協(xié)議)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)。
3.2.2 MCU程序設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)編寫應(yīng)用程序。LWIP移植至μC/OS-II操作系統(tǒng)首先需要將LWIP源文件引入系統(tǒng)工程，并根據(jù)情況做參數(shù)修改。系統(tǒng)工作前先進(jìn)行各項(xiàng)初始化，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化包括PHY接口模式設(shè)置、MAC地址設(shè)置等�；谇度胧揭蕴W(wǎng)的“虛擬化打印機(jī)”系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。
圖4 打印口-以太網(wǎng)虛擬化打印機(jī)主程序流程
4 應(yīng)用效果
為驗(yàn)證上述方案數(shù)據(jù)采集的可行性與可靠性，設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件還原數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)采集是單向的，故程序流程的復(fù)雜度較低，終端程序只需不停接收數(shù)據(jù)，并計(jì)入緩存即可。虛擬化打印機(jī)讀取數(shù)據(jù)格式確定為xCL，數(shù)據(jù)以EXIT結(jié)束，以指令+內(nèi)容格式體現(xiàn)。通過(guò)虛擬化打印機(jī)系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)還原，實(shí)際應(yīng)用設(shè)備的某次還原圖形如圖5所示。
圖5 應(yīng)用結(jié)果-還原圖形
5 結(jié)語(yǔ)
本文提出的“虛擬化打印機(jī)”系統(tǒng)方案已經(jīng)投入應(yīng)用，在某汽車轉(zhuǎn)向機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的齒條嚙合測(cè)試儀上實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備打印口中讀取加工工件的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件還原成圖片保存。
設(shè)計(jì)為老舊設(shè)備數(shù)據(jù)采集及保留提供了一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)的方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“無(wú)紙化打印”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯性。打印口一以太網(wǎng)“虛擬化打印機(jī)”的方案更進(jìn)一步省去現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，只要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)中心、交換機(jī)等進(jìn)一步配置，即可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)傳輸。其作為一個(gè)老式數(shù)控設(shè)備的改造是可靠的解決方案，為網(wǎng)絡(luò)化甚至是無(wú)線化的工業(yè)數(shù)據(jù)采集及整體MES系統(tǒng)或ERP系統(tǒng)創(chuàng)造打下一定基礎(chǔ)。
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本文標(biāo)題：基于虛擬化打印機(jī)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)
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