基于虛擬化打印機的數(shù)據(jù)采集設(shè)計

    隨著我國制造業(yè)信息化和工業(yè)自動化發(fā)展進程的不斷推進，制造企業(yè)對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．其核心之一的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集對實時性、可讀性以及與數(shù)據(jù)中心的兼容性有了新要求。自打印機問世以來，數(shù)控機床開始配備打印口和打印功能，機床保存數(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)的保存有如下相對優(yōu)勢：

    (1)打印實時且快速；

    (2)打印無需紙張粉墨，可通過數(shù)據(jù)線傳輸至上位機、服務(wù)器；

    (3)打印后的數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器等大型電子存儲空間，相對較好保存。

    基于這樣背景，本文提出“虛擬化打印機”的概念，通過這個由嵌入式系統(tǒng)虛擬成的“打印機”與設(shè)備通訊．從而獲取完整真實的打印數(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．提出一種通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M化打印機設(shè)計方案，滿足在先進制造工業(yè)上信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需求。基于“虛擬化打印機”的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)已于2010年在上海采埃孚轉(zhuǎn)向機系統(tǒng)的某調(diào)試臺某工位的設(shè)備上應用。

1 研究對象與方案比較

    本文針對的是工業(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)計虛擬化打印機中最需要考慮改進的方面，系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的通訊與傳輸接口的設(shè)計，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，它們分別對應三個不同的寄存器來進行數(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)。控制位和狀態(tài)位分別做通訊信號的輸出與輸入，該協(xié)議的讀寫時序如圖1所示。

    圖1 SPP讀寫時序圖

    針對工業(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，實現(xiàn)虛擬化打印功能。

    1.1基于FPGA設(shè)計方案

    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，其特點是傳輸速度相對較慢，但傳送距離較遠。因此提出C51單片機結(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邏輯芯片進行模擬接收，然后由單片機進行采集和預處理，再從串行口把采集到的數(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單片機處理外還需要一塊FPGA芯片如EPM7032進行控制信號的傳遞，同樣軟件成本上需要針對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)換為指定打印機的指令，使單片機接收打印口數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)給USB打印機達到控制USB打印機打印數(shù)據(jù)。

    該方案優(yōu)點在于使用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打印機打印，若設(shè)計接入上位機，則需要編寫上位機驅(qū)動程序和通訊程序。

2 打印口-串口虛擬化打印機設(shè)計

    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方案。本方案利用單片機I/O口、緩存空間、中斷服務(wù)、定時器等，通過程序設(shè)計控制數(shù)據(jù)的讀寫和與打印口的握手通訊等，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(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際工業(yè)開發(fā)需求，并成功應用于某打印口輸出的數(shù)控設(shè)備的虛擬化打印實現(xiàn)，效果理想。

    2.1硬件設(shè)計

    選用STC89G51單片機，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16位定時器/計數(shù)器，時鐘頻率可達到24MHz。系統(tǒng)可提供多級中斷服務(wù)。單片機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作為單片機中斷信號INTO;特別地，作為虛擬化打印機，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”和數(shù)控設(shè)備通訊主要通過8位數(shù)據(jù)位、nSTROBE與AUTOFEED兩個控制位和nACK一個狀態(tài)位。

    表1 單片機與設(shè)備通訊連線

    信號輸出部分，讀入的打印口信號被轉(zhuǎn)換為串行信號將通過STC89C51的P3.0 , P3.1端口(即串行輸入輸出端)輸出。所以在單片機串行通訊時，選擇使用MAX232芯片進行TTL-->RS232電平轉(zhuǎn)換。

    2.2軟件設(shè)計

    來自打印口nSTROBE握手信號作為外部中斷源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和傳輸，單片機程序邏輯如圖2所示。上位機軟件用MFC編寫，其核心是串口數(shù)據(jù)的讀取和打印語言的編譯，從而將設(shè)備打印口數(shù)據(jù)還原成直觀的目標圖形。

    圖2單片機數(shù)據(jù)讀寫程序流程圖

3 打印口-以太網(wǎng)虛擬化打印機設(shè)計

    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)計基于打印口一以太網(wǎng)虛擬化打印機，摒棄現(xiàn)場工控機，做到現(xiàn)場數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

    3.1硬件選型及設(shè)計

    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10/100以太網(wǎng)MAC(媒體訪問控制器)，該款芯片不但支持以太網(wǎng)通訊，適合本文的設(shè)計要求，且擁有成本低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，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STM32F 107的M川介質(zhì)無關(guān)接口)實現(xiàn)信號傳輸。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STM32的軟件設(shè)計來控制UO口的通訊，其中GPIO Port B的DO位(nSTROBE信號)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)虛擬化打印機硬件結(jié)構(gòu)圖

    3.2軟件設(shè)計

    3.2.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析

    LWIP(輕量級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，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。該協(xié)議棧實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運行。從而適合在嵌入式結(jié)合開發(fā)成本與實際通訊可靠性，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。

    3.2.2  MCU程序設(shè)計

    軟件設(shè)計基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)編寫應用程序。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)工作前先進行各項初始化，針對網(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。基于嵌入式以太網(wǎng)的“虛擬化打印機”系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

    圖4 打印口-以太網(wǎng)虛擬化打印機主程序流程

4 應用效果

    為驗證上述方案數(shù)據(jù)采集的可行性與可靠性，設(shè)計上位機軟件還原數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)采集是單向的，故程序流程的復雜度較低，終端程序只需不停接收數(shù)據(jù)，并計入緩存即可。虛擬化打印機讀取數(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)。通過虛擬化打印機系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)還原，實際應用設(shè)備的某次還原圖形如圖5所示。

    圖5 應用結(jié)果-還原圖形

5 結(jié)語

    本文提出的“虛擬化打印機”系統(tǒng)方案已經(jīng)投入應用，在某汽車轉(zhuǎn)向機生產(chǎn)企業(yè)的齒條嚙合測試儀上實現(xiàn)了從設(shè)備打印口中讀取加工工件的動態(tài)數(shù)據(jù)并通過計算機軟件還原成圖片保存。

    設(shè)計為老舊設(shè)備數(shù)據(jù)采集及保留提供了一個高效、經(jīng)濟的方案，設(shè)計實現(xiàn)了“無紙化打印”，實現(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”的方案更進一步省去現(xiàn)場工控機，只要經(jīng)過數(shù)據(jù)中心、交換機等進一步配置，即可以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)中心的實時傳輸。其作為一個老式數(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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本文標題：基于虛擬化打印機的數(shù)據(jù)采集設(shè)計

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