基于OPC規(guī)范的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

1、*學士畢業(yè)論文摘 要數(shù)據(jù)采集是分布式數(shù)控(DNC)系統(tǒng)的一個重要功能。隨著制造自動化和企業(yè)信息化的發(fā)展，企業(yè)對自動采集制造信息的需求越來越強烈。首先，本文結(jié)合學校安裝的DNC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提出制作一個建議數(shù)據(jù)采集器的思想。根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的要求確定了項目的具體方案。然后，對制作的數(shù)據(jù)采集器硬件部分按照串口調(diào)試、聯(lián)調(diào)、連上機床信號的聯(lián)調(diào)三個階段進行分階段的調(diào)試。在調(diào)試的過程中，介紹了數(shù)據(jù)采集器程序語言的工程建立和編譯后下載到數(shù)據(jù)采集器的過程。最后，結(jié)合OPC服務器的一個二次開發(fā)平臺SIACON-SmartOPC了解了基于面向過程控制的對象連接與嵌入(OPC)的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)共享的過程。在總結(jié)和展望中

2、，就所學的專業(yè)知識和現(xiàn)實的DNC系統(tǒng)提出了如何實現(xiàn)軟硬件集成的方案，并分析了DNC系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢。關鍵詞： DNC系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集器 OPC AbstractData acquisition is an important function of Distributed Numerical Control(DNC) systems.With the rapid development of manufacturing automation and enterprise information,the requirements of enterprises to gather manufact

3、uring information automatically become more and more intense. At first,this paper Combinations the Data Acquisition system fixed by the ChangChun university of technology and proposes an idea of making a Data Collector . According to data collected by the project,determined the specific program.And

4、then,the Data Collector is debugged with 3 steps including serial port debugging、Serial Server debugging and debugged online. In the process of debugging, the paper presents the process of the Data Collector downloads the program from establishing project.At last, Combinationed a Secondary developme

5、nt platform of the OPC Server, comprehend OPC(OLE for Proeess Control)- based data acquisition methods.In prospect and outlook,processed a integrated method of the soft and the hardware with the Professional knowledge and the reality DNC system. Keywords: DNC System Data Collector OPC目 錄摘 要IAbstract

6、 II目 錄III1、緒論11.1課題研究背景及意義11.2現(xiàn)狀分析21.3論文研究內(nèi)容31.4論文主要構(gòu)架42、單片機的選擇62.1項目的介紹62.2項目具體實施62.3單片機的選擇82.4單片機介紹82.4.1 STC12C2052AD主要性能82.4.2 選擇STC12C2052AD的理由92.4.3 STC12C2052AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)93、數(shù)據(jù)采集器硬件的調(diào)試 103.1串口部分調(diào)試103.1.1 串口的輸出123.1.2 串口的輸入123.2聯(lián)調(diào)123.2.1 程序設計123.2.2 具體程序的實現(xiàn)133.3連上機床信號的調(diào)試154、數(shù)據(jù)采集器程序介紹及電路圖的繪制184.1單片機程序

7、介紹184.1.1 匯編語言和C語言比較184.1.2 基于keil的程序編制過程184.2電路圖的繪制204.2.1 軟件的安裝204.2.2 電路圖的繪制過程215、OPC技術應用235.1OPC規(guī)范的簡介235.2OPC規(guī)范的分類235.3OPC服務器的工作方式235.4OPC服務器基于硬件的工作方式245.4.1開發(fā)指導245.4.2開發(fā)工具安裝255.4.3開發(fā)向?qū)褂?55.4.4函數(shù)詳細說明286、展望與總結(jié)316.1總結(jié)316.2展望31致謝 33參考文獻 34附錄一 35附錄二 3740第一章 緒 論1.1課題研究背景及意義 二十世紀六十年代，制造企業(yè)生產(chǎn)設備不斷向數(shù)控化過渡

8、。為了解決早期數(shù)控設備因使用紙帶輸入數(shù)控加工程序而引起的一系列問題和早期數(shù)控設備的高成本等問題。人們將若干臺數(shù)控設備直接連接在一臺中央計算機上，由中央計算機負責NC程序的管理和傳送。這種控制方法被稱為直線式控制。但這種工業(yè)控制方法使得整個車間生產(chǎn)都依賴于中央計算機，一旦中央計算機出現(xiàn)問題，所有的機床將不能工作。二十世紀七十年代以后，隨著計算機數(shù)字控制（Computerized Numerical Control,CNC）技術的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的存儲容量的擴大和計算速度的提高，特別是控制計算機成本的大幅度下降，使直接數(shù)字控制（Direet Numerieal Control，DNC）發(fā)展為分布

9、式數(shù)字控制（Distributed Numerieal Control，DNC）。分布式控制不但具有直接數(shù)字控制的所有功能，而且還具有系統(tǒng)信息收集等功能，其最大的優(yōu)點在于系統(tǒng)中的各數(shù)控機床具有自治能力。主控計算機一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中的各個數(shù)控機床仍然可以繼續(xù)工作。分布式控制有效克服了直接數(shù)字控制的缺點，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，增強了企業(yè)的競爭力，因而在實際中獲得了廣泛的應用。二十世紀八十年代，現(xiàn)代管理信息系統(tǒng)（如MRP、ERP等）迅速發(fā)展，企業(yè)的計劃性顯得越來越重要。它們以客戶訂單和市場需求為計劃源頭，力求充分利用企業(yè)內(nèi)的各種資源、降低庫存、提高企業(yè)的整體運作效率。但僅僅局限于業(yè)務管理

10、部門(人、財、物、產(chǎn)、供、銷)或設計開發(fā)等企業(yè)上層的信息化是遠遠不夠的，車間最底層的加工設備數(shù)控機床不能夠連成網(wǎng)絡或信息化，就必然成為現(xiàn)代制造業(yè)信息化的制約瓶頸。所以，對于現(xiàn)代制造工廠車間來說，不僅要提高機床的數(shù)控化率，還要使所擁有的數(shù)控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通信功能，以保證信息流在車間的底層之間及底層與上層之間通信暢通無阻。因此，對于擁有大量數(shù)控機床的車間來說，引入網(wǎng)絡化DNC(Distributed Numerical Control)系統(tǒng)（分布式數(shù)控系統(tǒng)）是一個簡單實用的解決方案。網(wǎng)絡化DNC系統(tǒng)是企業(yè)車間級自動化制造系統(tǒng)及先進制造技術系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，也是車間實施先進制造的一個關鍵

11、性技術。DNC是實現(xiàn)CAD/CAM/CAPP一體化技術的紐帶，是現(xiàn)代制造車間實現(xiàn)信息集成的有效途徑1，2。車間制造過程涉及大量的制造設備、多變的工藝因素，因而它包含了復雜的環(huán)境和狀態(tài)信息。要實現(xiàn)制造過程的柔性自動化，除了與系統(tǒng)控制、管理等技術相關外，制造過程的狀態(tài)采集也顯得至關重要。只有采用有效的信息采集技術，充分、實時、準確地獲得制造過程中的各種狀態(tài)信息，并以此為基礎實現(xiàn)對制造過程的有效控制和管理，才能提高整個系統(tǒng)的柔性、強健性和故障處理能力。而隨著制造自動化和企業(yè)信息化的發(fā)展，企業(yè)對自動采集制造信息的需求越來越強烈。因此，研究和開發(fā)DNC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對發(fā)揮數(shù)控機床的潛力、充分利用制造資源

12、，推動企業(yè)自動化的進程，提高企業(yè)生產(chǎn)率、競爭力和經(jīng)濟效益均有著重要的現(xiàn)實意義。DNC數(shù)據(jù)采集作為DNC系統(tǒng)的重要功能，它的主要目的是對機械制造過程中產(chǎn)生的各種信息進行提取、傳輸、處理、分析和應用。要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，除了在硬件上的研究，還必須建立各種接口和協(xié)議標準來傳遞和存儲收集到的數(shù)據(jù)。1.2現(xiàn)狀分析在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，智能設備之間及智能設備與控制系統(tǒng)軟件之間的信息共享是通過驅(qū)動程序來實現(xiàn)的。由于軟件開發(fā)商對驅(qū)動程序的要求各不相同，硬件供貨商不可能為所有的軟件開發(fā)商提供驅(qū)動程序，所以這項工作主要只能由控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)商承擔。因此，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在不少缺陷。（1）重復開發(fā)。所有的軟件系統(tǒng)

13、開發(fā)商必須為每個特定的硬件開發(fā)一個驅(qū)動程序，這是一個大量的重復性工作。（2)協(xié)議不一致。軟件開發(fā)商各自從自己的需要出發(fā)，采用不同的數(shù)據(jù)交換協(xié)議開發(fā)驅(qū)動程序，從而使各開發(fā)商之間的驅(qū)動程序不一致，并且驅(qū)動程序并不支持所有的硬件特性。（3)可維護性差。由于驅(qū)動程序由軟件開發(fā)者開發(fā)，硬件特征的變化將會使有的驅(qū)動程序失效，為適應硬件特征的新變化，軟件開發(fā)者必須為硬件開發(fā)新的驅(qū)動程序。（4)訪問沖突。一般來說，兩個軟件包不能同時訪問同一設備，因為它們使用不同的驅(qū)動程序。為了解決這一問題，硬件開發(fā)商試圖以開發(fā)驅(qū)動程序的方法來解決這一問題，但由于不同的客戶采用不同的客戶協(xié)議而無法實現(xiàn)3。控制系統(tǒng)軟件開發(fā)商構(gòu)造

14、一個完整的控制系統(tǒng)需要大量的驅(qū)動程序，如果再考慮兼容不同硬件廠商的產(chǎn)品，那么驅(qū)動程序的數(shù)量將更加龐大。這樣就形成了一個“信息孤島”，導致系統(tǒng)內(nèi)各層次的信息不能順暢的流通，使整個系統(tǒng)成為一個異構(gòu)的系統(tǒng)4。整個系統(tǒng)的成本也很高。而從計算機技術介入制造應用領域開始，“信息孤島”問題一直困擾著業(yè)界?！靶畔⒐聧u”相當嚴重的限制了信息交換繼而約束了應用領域的拓展。同樣的問題在DNC數(shù)據(jù)采集中也存在。目前，世界各數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床生產(chǎn)商生產(chǎn)的數(shù)控設備大都采用專用的芯片、專用的硬件電路，并配置專用的軟件系統(tǒng)。這種封閉式的結(jié)構(gòu)使得在數(shù)控設備上添加數(shù)據(jù)采集等功能的二次開發(fā)變得非常困難，而且容易破壞昂貴的數(shù)控設備。

15、為了解決封閉式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)所存在的問題，近年來，西方一些發(fā)達國家提出了開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，即NC系統(tǒng)的開放化，要求數(shù)控系統(tǒng)不依賴特定的軟硬件平臺。近年來，微處理器發(fā)展迅速，性價比越來越高，同時PC上的軟件資源也越來越豐富，PC平臺以其成熟的技術和穩(wěn)定的性能已經(jīng)在控制領域得到了廣泛的應用。PC平臺開放的體系結(jié)構(gòu)也為數(shù)控系統(tǒng)提供了一個很好的開放平臺。因此，以PC為軟硬件平臺發(fā)展開放式CNC系統(tǒng)已經(jīng)成為較普遍的共識，是目前NC開放化的主要途徑。目前，計算機在工業(yè)控制領域獲得了廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領域的應用，使得傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件已無法

16、滿足工業(yè)控制需求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件，一旦采集對象有變動，往往就需要修改源程序，導致其開發(fā)工作量大、周期長，軟件本身通用性、靈活性差、復用性低。“可配置”思想的出現(xiàn)，很好解決了數(shù)據(jù)采集軟件中的這個問題?！翱膳渲谩钡牟呗栽诮鉀QDNC數(shù)據(jù)采集軟件通用性差、復用性低等問題時也同樣適用，通過配置，用戶能可根據(jù)自己的控制對象和控制目的，對DNC數(shù)據(jù)采集的對象進行的任意配置，最終完成數(shù)據(jù)采集的任務。另外，現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)由于生產(chǎn)年代和生產(chǎn)廠家不一，存在多種檔次和型號，其通信接口和協(xié)議也存在很大的差異。而且由于制造環(huán)境的復雜性和異構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，目前的DNC采集系統(tǒng)的組成差別很大，往往成為專用系統(tǒng)，系統(tǒng)的可重用

17、性差。一種開放式的信息集成和應用集成的標準研究是當前的重點。在此標準下，可實現(xiàn)透明的信息交換，同時為不同的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡、數(shù)控機床設備提供支持。目前，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在研究開發(fā)平臺，企圖用一個平臺來面對各種采用不同通信協(xié)議的數(shù)控設備，以一個共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和人機界面來面對用戶。因此，國內(nèi)外開始了在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的研究。所研究的問題主要包含以下三個方面：1 如何規(guī)范性的從CNC設備中采集信息的問題；2 如何有效的實現(xiàn)與上層管理系統(tǒng)集成的問題；3 如何使得數(shù)據(jù)采集具有一定通用性、靈活性和可擴充性。正是在這樣的需求下，促進了OPC規(guī)范技術出現(xiàn)和發(fā)展。OPC技術提供了一種開放、高效的通信機制，為監(jiān)控

18、軟件提供了一種一致的存取現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的方法。是一種標準化、分布式、開放性、組件化、實時性接口技術，解決了系統(tǒng)異構(gòu)和集成的問題。并為實現(xiàn)DNC技術的通用化提供了保障。1.3論文研究內(nèi)容DNC系統(tǒng)是一個集成框架下的系統(tǒng)（如圖1.1），具有強大的應用功能。 現(xiàn)有的DNC系統(tǒng)一般都是上下行獨立的系統(tǒng)，本論文結(jié)合實際已經(jīng)安裝好的DNC系統(tǒng)，為了更加清楚的了解DNC系統(tǒng)在實際的數(shù)據(jù)采集過程中的功能的實現(xiàn)，并驗證數(shù)據(jù)采集中協(xié)議規(guī)范的一致性的優(yōu)點，結(jié)合學校工程訓練中心數(shù)控機床DNC系統(tǒng)提出用單片機制作一個簡易數(shù)據(jù)采集器。采集機床信號，監(jiān)控機床狀態(tài)的目的。所制作的硬件部分與現(xiàn)實中的IOLOGIK E2110的功

19、能大致相同。具體實現(xiàn)過程設計如下：首先，采集FANUC 0i系統(tǒng)上的7個機床狀態(tài)信號（機床上電、NC循環(huán)啟動、NC循環(huán)停止、M00程序暫停、M30加工結(jié)束信息、EMG機床急停、FAULT故障信息），通過信號的隔離后上傳到單片機（在實際的采集過程中，有一個數(shù)據(jù)隔離器，在現(xiàn)實制作中，采用光耦實現(xiàn)信號隔離作用。），然后通過在OPC的一個二次開發(fā)平臺下規(guī)定數(shù)據(jù)上傳到現(xiàn)有的串口服務器NPORT5100后的存儲，再與客戶端服務器相連，通過對采集到的機床信號進行定義，基于串口服務器的開發(fā)平臺，在PC機上就能顯示所要采集的狀態(tài)。圖1.1 DNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.4論文主要構(gòu)架第一章緒論介紹了課題研究背景及意義，并

20、提出了建立OPC規(guī)范的必要性。并結(jié)合所看系統(tǒng)提出建立簡易數(shù)據(jù)采集器的思想。第二章介紹了項目的提出和方案的選擇。第三章介紹了單片機的硬件調(diào)試過程。第四章介紹了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的程序語言的工程建立過程及電路圖的繪制。第五章介紹了OPC規(guī)范在實際硬件中的應用。第六章總結(jié)及展望。通過在實際了解和制作過程中的遇到的問題和不合理之處提出自己的改進方法。并結(jié)合現(xiàn)階段DNC的發(fā)展狀況，提出DNC未來的發(fā)展趨勢。第二章 單片機的選擇2.1項目的介紹 DNC系統(tǒng)是現(xiàn)代社會車間制造管理監(jiān)控集成化的一種趨勢，許多大型制造車間為了在管理和監(jiān)控上實現(xiàn)遠程控制，都安裝了DNC數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。在學校的工程訓練中心,有5臺數(shù)控機床，

21、而5臺機床中有三種數(shù)控操作系統(tǒng)（分別為FANUC，SIMMENS，MAZAK）。因此，要想實現(xiàn)5臺機床在DNC系統(tǒng)中的集成監(jiān)控,必須首先得實現(xiàn)在數(shù)據(jù)和狀態(tài)傳輸中，接口規(guī)范和協(xié)議的一致性。學校給這5臺機床安裝的是CIMCO公司的DNC系統(tǒng)。由其在中國的代理商北京蘭光做的硬件安裝和硬件的調(diào)試。整套DNC系統(tǒng)包括了機床聯(lián)網(wǎng)通訊CIMCO DNC-Max、數(shù)控程序編輯與仿真CIMCO EDIT、程序管理系統(tǒng)CIMCO MDC-Max、刀具管理系統(tǒng)Smart Crib和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)MDC-MAX Monitor。公司工作人員將硬件安裝后，結(jié)合軟件對整個系統(tǒng)調(diào)試，能正常監(jiān)控5臺機床的狀態(tài)。本論文就學校

22、所安裝的DNC數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，結(jié)合所學專業(yè)知識，開發(fā)一個簡易的數(shù)據(jù)采集工具，結(jié)合現(xiàn)有的串口服務器，實現(xiàn)遠程監(jiān)控機床的功能。數(shù)據(jù)采集器的作用是將在數(shù)控機床上采集到的并行狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行信號，然后經(jīng)過NPORT串口服務器，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)，并在OPC服務器中存儲，供客戶端查看。圖2.1 系統(tǒng)框架圖2.2項目具體實施在學校安裝的DNC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，具體的系統(tǒng)框架圖如圖2.1所示。在這一系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的是iologik E2110,而iologik E2110是一個將數(shù)據(jù)采集和串行轉(zhuǎn)換集成了的數(shù)據(jù)采集終端。拆開iologik E2110可以看到里面有2塊集成板，下層是數(shù)據(jù)采集集成板

23、，上層為將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)的集成板，二者通過插針直接傳送數(shù)據(jù)。而在信號進入iologik E2110之前，還得經(jīng)過信號隔離器的信號隔離，目的是隔離機床中產(chǎn)生的錯誤信號，而保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的準確性。這些都是制作簡易數(shù)據(jù)采集器時必須要考慮的一些因素。針對這些具體的要求和結(jié)合機床實際工作中的一些狀態(tài)指數(shù)，提出制作一個能采集機床7個狀態(tài)信號（機床上電、NC循環(huán)啟動、NC循環(huán)停止、M00程序暫停、M30加工結(jié)束信息、EMG機床急停、FAULT故障信息）的簡易數(shù)據(jù)采集器。為了解決信號隔離的問題，項目中決定采用光耦進行信號的隔離。光耦的作用是對輸入的電信號起隔離作用，光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射

24、、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。因此，采用光耦也能實現(xiàn)隔離機床中的非狀態(tài)信號對終端的影響的作用。圖2.2 分壓圖一 圖2.3 分壓圖二學校數(shù)控機床中所采集的信號都是24V的電平信號，iologik E2110和隔離器的耐壓性是1248V，因此將其直接與機床的信號線相連即可。而單片機所能接收的電壓信號是3.5V5.5V的電壓，因此在信號進入單片機輸入口之前先得對信號進行分壓?？紤]到光耦的耐流性和耐壓性及其中發(fā)光二極管的發(fā)光電流激發(fā)值，選用5

25、K，1K電阻分壓（如圖2.2所示）分壓后途中A點（光耦輸入端）的電壓為4V，在單片機的電壓允許范圍之內(nèi)。光耦中的發(fā)光二級管通電發(fā)光后，光耦中三極管的基極接通，而在三極管的集電極加一個5V的電壓，也采用分壓的方式，用一個1K的電阻接在集電極，10K的電阻在發(fā)射極（如圖2.3所示），這樣，電路導通后，發(fā)射極的電壓即B點（單片機輸入端）的電壓就是4.6V，也在單片機的電壓范圍之內(nèi)。這樣，只要信號端有高電平信號，光耦將被激發(fā)，在單片機的輸入端將會有一個高電平信號；反之，信號端是一個低電平信號，光耦中的發(fā)光二極管將不會被激發(fā)，三極管也不會被接通，因此單片機的輸入端會是一個低平信號。在給單片機用作數(shù)據(jù)采集

26、的程序中分別對應機床所引出的信號線對高低電平信號定義，即能監(jiān)控到機床的狀態(tài)。2.3單片機的選擇單片機在選型之前，首先應該了解所開發(fā)系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)所應具有的功能，然后從中作出選擇。下面是單片機選型的一些基本的要求。1.單片機系統(tǒng)的硬件資源要求。在性能指標滿足的情況下，盡量選擇硬件集成度較高的型號，盡量減少外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴展。如ADC、DAC、12C、SPI等型號的單片機，同時也便于軟件的管理、減少硬件的投入和節(jié)省電路板的面積等。2.市場調(diào)查。在滿足系統(tǒng)的要求下，盡量選擇應用比較廣泛，貨源充足的單片機，避免因缺貨導致項目的推遲和進度的延緩。3.如果所開發(fā)的項目是一個手持式的系統(tǒng)，應

27、盡量選擇低功耗的單片機。4.單片機的選擇應當功能強大，現(xiàn)在的電子技術發(fā)展非常迅速，功能也在不斷的加強，為了在必要的時候擴充系統(tǒng)的 功能，盡量選擇功能強大的片子，便于單片機的升級。另外，還需根據(jù)實際中的一些具體需求，來選擇所需要的單片機的型號。由于需要制作的是一個只需采集7個機床數(shù)據(jù)狀態(tài)的信號，并考慮到串口調(diào)試過程中選用1602C的LCD顯示器，1602C在顯示中需要11個輸入拐角，因此在單片機的拐角的選擇上只需選擇20腳的單片機即可。并且數(shù)據(jù)的采集量不大，單片機在附屬功能上只需用自帶數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器就足夠。從單片機的數(shù)據(jù)存儲穩(wěn)定性等方面，最后確定選擇STC12C2052（AD）單片機。S

28、TC12C2052（AD）有15個I/O口，足以滿足整個制作過程的需要。2.4單片機簡介2.4.1 STC12C2052AD主要性能1.高速，1個時鐘/機器周期，增強型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8-12倍。2.寬電壓：5.53.5V。3.低功耗設計：空閑模式，掉電模式。4.工作頻率:0-35MHz。5.時鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置。6.16K/12K/10K/8K/6K/4K/2K字節(jié)內(nèi)FLASH程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上。7.512字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器。8.芯片內(nèi)EEPROM功能。9.ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用課編程，無需編程

29、器/仿真器。10.8位ADC，8通道，4路PWM還可4路D/A使用。11.2通道捕獲/比較單元。12.6個16位定時器，兼容普通8051的定時器TO/TI。13.高速SPI通信端口。14.先進的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，4組8個8位通用工作寄存器。2.4.2選擇STC12C2052AD的理由1.加密性強。2.超強抗干擾：高抗靜電（ESD保護）、輕松過4KV快速脈沖干擾、寬電壓，不怕電源抖動、寬溫度范圍。3.在系統(tǒng)可編程，無需編程器，無需仿真器?？蛇h程升級。2.4.3 STC12C2052AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4 STC12C2052AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第三章 數(shù)據(jù)采集器硬件的調(diào)試在做數(shù)據(jù)采集器

30、之前，首先得確定單片機的最小工作系統(tǒng)（如圖3.1），任何一個單片機的工作都必須有復位和時鐘電路。在實際制作中采用簡單的上電復位電路，在時鐘電路上采用內(nèi)部時鐘電路。數(shù)據(jù)采集器的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)由并行信號向串行信號的轉(zhuǎn)換并最后通過串口服務器上傳到PC機，但在實際的制作和調(diào)試過程中并非一步實現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。得通過分階段的調(diào)試，才能實現(xiàn)相應的功能。具體的單片機硬件調(diào)試包括串口調(diào)試、聯(lián)調(diào)、連上機床信號的調(diào)試三部分組成。各分階段的具體調(diào)試過程如下：圖3.1單片機最小系統(tǒng)圖3.1 串口調(diào)試部分串行通信是指數(shù)據(jù)的各個二進制位按照順序一位一位地進行傳輸，這種通信方式的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機的

31、引腳資源，并且抗干擾能力強，適合于遠距離數(shù)據(jù)傳輸。在單片機的拐角上有RxD、TxD兩個拐角，這就是2個串口輸入輸出口，是本項目實現(xiàn)數(shù)據(jù)向客戶端轉(zhuǎn)換的重要組成部分。串口調(diào)試的目的是判斷所制作系統(tǒng)串口的可行性和準確性。具體的實現(xiàn)是給單片機燒錄一個發(fā)送字符和顯示字符的程序后，通過串口不斷的向電腦發(fā)送字符和在顯示器上顯示字符的過程。實現(xiàn)串口調(diào)試，首先得制作MAX232電路（如圖3.2），MAX232電路的作用是在線給單片機燒錄程序。 圖3.2 MAX232電路 將MAX232電路與已經(jīng)焊接好的單片機基本工作電路相連形成編程電路（如圖3.3），開始下載程序的工作。圖3.3 編程電路具體的下載程序的步驟：

32、（下載界面如圖3.4）圖3.4 ISP控制軟件下載界面步驟1：先關閉單片機的電源。步驟1：選擇所使用的單片機型號，選擇STC12C2052AD。步驟2：打開文件，文件必須調(diào)入程序代碼（*hex）。步驟3：選擇串行口，看所接的是電腦上的哪個串行口，選擇即可。如COM1、COM2。步驟4：選擇下次冷啟動時時鐘源為“內(nèi)部R/C振蕩器”。步驟5：選擇“Download/下載”按鈕下載用戶的程序進單片機內(nèi)部，可重復執(zhí)行驟5。步驟6：給單片機上電。因為單片機中的復位方式是商店復位。要給單片機商店或復位，下載速度比一般通用編程器快，一定要先選擇“Download/下載”按鈕，然后再給單片機上電復位（先徹底斷

33、電），而不要先上電，先上電，檢測不到合法的下載命令流，單片機就直接跑用戶程序了。在串口的調(diào)試中包含串口的輸入和輸出兩部分內(nèi)容，首先調(diào)試串口的輸出。3.1.1串口的輸出串口輸出選擇單片機向PC機發(fā)送字符。將已經(jīng)編制好的程序按照上面的步驟下載到單片機中，然后開啟單片機的電源，就能實現(xiàn)串口輸出的調(diào)試。具體的程序如下見附錄一。此程序是一個循環(huán)的向串口發(fā)送字符的程序。要想在PC機上看到單片機所發(fā)送的字符，首先得在PC機上建立一個CLINT窗口，而實現(xiàn)PC顯示的最主要的部分是串口波特率的調(diào)節(jié)，在實際的調(diào)節(jié)中，波特率的設置為9600。3.1.2串口的輸入串口的輸入選擇的是通過PC機給單片機不斷的發(fā)送字符。而

34、單片機的輸出是一個1602C的顯示器。向單片機發(fā)送字符的具體程序見附錄二。3.2 聯(lián)調(diào)將焊接好的已經(jīng)實現(xiàn)分壓和信號隔離的電路通過串口接上NPORT（實際中用的NPORT 5100）,同樣分別給單片機燒錄串口調(diào)試用的程序，對應與串口服務器的開發(fā)平臺，觀察PC機上的顯示和單片機的輸出端LCD顯示器的輸出。按照理想狀況的預測，在串口服務器與PC機相連后，在串口服務器的開發(fā)平臺上添加相應的代碼，給單片機燒錄所需的程序后，給數(shù)據(jù)采集器通上電就應該能在PC機的操作界面上觀察到不斷發(fā)送的字符。但由于實際的可操作性和與獲取串口服務器相適應的平臺代碼的原因，在實際的聯(lián)調(diào)中，只能采用學校工程訓練中心的iologi

35、k E2110做一下串口服務器工作原理的介紹。聯(lián)調(diào)電路與串口調(diào)試電路比較，只是將串口調(diào)試電路中的MAX232換成了一個串口服務器。下面就對串口服務器怎樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換進行簡要的介紹。首先對其程序的設計思想進行介紹。3.2.1 程序設計程序設計的第一步，首先是對開發(fā)板的初始化。串口方面要考慮的是串口的一些特性參數(shù)，如串口傳輸波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位、流量控制、緩沖區(qū)的大小等。而以太網(wǎng)口主要考慮的是網(wǎng)絡參數(shù)的設置，比如說IP地址，子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關等。這些都必須在程序設計以前，獲得確切的數(shù)值，然后使用#define定義這些初始化數(shù)據(jù)，或者將這些數(shù)值運用于初始化函數(shù)中，保證網(wǎng)口和串口的正常通信。

36、串口開始接收數(shù)據(jù)之后，由于數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和大小不相同，Xmodem數(shù)據(jù)包的大小為128位，而TFTP數(shù)據(jù)包的大小為512位，恰好是串口數(shù)據(jù)包的四倍，因此可以接收四個Xmodem數(shù)據(jù)包后再通過以太網(wǎng)口傳送出去。但兩個數(shù)據(jù)包所附加的信息也不一樣，因而我們必須先設置一個512位的緩沖區(qū)，串口接收的到數(shù)據(jù)后，先去除掉這個包的附加信息，將數(shù)據(jù)暫時存在緩沖區(qū)內(nèi)，接收四個包然后，將這512位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到以太網(wǎng)發(fā)送的緩沖區(qū)內(nèi)，加上TFTP包的附加信息后，再通過UDP協(xié)議將其發(fā)送出去，直到文件傳送的完成，文件傳輸結(jié)束后，要保證下一次文件的傳輸，必須將串口和以太網(wǎng)口關閉以后再重新打開，進入循環(huán)狀態(tài)。 在串口傳輸結(jié)束

37、后，由于串口的數(shù)據(jù)包均為128位，因此有可能在緩沖區(qū)內(nèi)正好是512字節(jié)，由于以太網(wǎng)口的TFTP協(xié)議傳輸結(jié)束是以最后一包數(shù)據(jù)小于512位來判斷的，所以在發(fā)送完緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)后，TFTP協(xié)議并不認為文件傳輸結(jié)束，雖然也可以通過超時來確認文件傳輸結(jié)束，但可以通過增加一個CTRLZ字符作為最后一個包，來結(jié)束文件的傳輸。3.2.2 具體程序的實現(xiàn)首先對開發(fā)板加電之后，必須對其進行初始化，以保證開發(fā)板上的串口和以太網(wǎng)口正常傳輸。網(wǎng)絡接口初始化:首先必須在以太網(wǎng)接口上綁定IP地址，DYNAMIC C的庫函數(shù)DCRTCP.LIB給我們提供三個宏MY_IP ADDRESS,MY_NETMASK和MY_GATEW

38、AY，通過#define定義之后，可以非常方便的給網(wǎng)口設定IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關地址。在定義IP地址后，程序的開始還必須調(diào)用一個函數(shù)來驅(qū)動以太網(wǎng)口，這個函數(shù)是sock_ init，它可以將開發(fā)板的網(wǎng)口驅(qū)動起來，并將剛才設定的1P地址綁定到這個以太網(wǎng)口上，如果這個函數(shù)返回值為0的話，那就表示設置成功。串口的初始化：調(diào)用int serXopen(long baud)函數(shù)把串口打開。初始化成功后，接下來就是從串口接收數(shù)據(jù)，首要考慮的就是串口和以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。首先我們設定一個buffer，容量是512位，通過void *memset(void *dst, intchr, size_t n)，

39、函數(shù)來將buffer初始化，memset()函數(shù)的功能是在dst所指向的空間中，將其前n位設置成chr字符，在這邊我們將buffer中512位全部設在為零。串口接收一幀數(shù)據(jù)后，經(jīng)過校驗正確，我們就去除掉它的一些如SOH、校驗信息等附加信息，然后通過void *memcpy (void *dst, void *src, size_t n)，函數(shù)將數(shù)據(jù)放入buffer中，memcpy()函數(shù)的功能是將源地址src的中n個數(shù)據(jù)拷貝到目標地址dst發(fā)送ACK應答消息接收1楨數(shù)據(jù)發(fā)送串口準備好信號去除附加信息加入到buffer關閉串口和以太網(wǎng)口封裝數(shù)據(jù)包串口傳輸結(jié)束將buffer數(shù)據(jù)放入以太網(wǎng)口緩存?zhèn)鬏?/p>

40、完畢，接收ACK信息將buffer第一字符設為ctrlz并放入以太網(wǎng)口緩存封裝數(shù)據(jù)包對方取消消息將buffer數(shù)據(jù)放入以太網(wǎng)口并清零通過TFTP傳輸數(shù)據(jù)初始化串口和以太網(wǎng)口串口接收字符符Buffer中有字符接收四次通過TFTP傳輸數(shù)據(jù)傳輸文件結(jié)束重新打開串口和以太網(wǎng)口圖3.6 串口到以太網(wǎng)口程序流程圖中，經(jīng)過四次拷貝，就將Xmodem接收到的四個包中的數(shù)據(jù)拷入了buffer中，然后再通過這個函數(shù)，將這512位數(shù)據(jù)拷貝到以太網(wǎng)口的傳輸緩沖中，并通過memset()函數(shù)將buffer清零，準備下一包數(shù)據(jù)的傳輸。在準備進行TFTP傳輸文件以前，還必須將網(wǎng)絡端口打開，DYNAMIC C提供了intud

41、p_open(udp_Socket *s, word lport, longword remip,word port, dataHandler_t datahandler)串函數(shù)來打開UDP端口。網(wǎng)絡端口打開以后，整個數(shù)據(jù)傳輸行成了一個通道，串口接收數(shù)據(jù)放入buffer中從buffer中轉(zhuǎn)到以太網(wǎng)口的緩沖中數(shù)據(jù)通過UDP函數(shù)發(fā)送出去串口接收數(shù)據(jù)，這樣，形成一個循環(huán)，直到文件全部發(fā)送出去。文件傳輸結(jié)束后，通過調(diào)用serXclose()和sockse close( *s)分別關閉串口和以太網(wǎng)口，在下一次文件傳輸時再分別打開。這樣，從數(shù)據(jù)采集器中的采集到的狀態(tài)就通過串口服務器，轉(zhuǎn)換成了網(wǎng)絡信號，供客

42、戶端應用。3.3 連上機床信號的調(diào)試連上機床信號的調(diào)試同樣采用的是工程訓練中心的iologik E2110。這樣的調(diào)試就是DNC監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試過程。即MDC-Max V5 monitor的調(diào)試過程。在CIMCO的DNC系統(tǒng)中，所有應用功能都是用ORACLE 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的，因此，首先在PC機上得安裝ORACLE 數(shù)據(jù)庫。接著，在PC機上安裝機床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4個安裝程序MDC-Max V5 client/server/monitor/report（分別是客戶端，服務器，監(jiān)控和報表生成）。 安裝好這些軟件后，開始機床監(jiān)控的設置。首先，建立所要監(jiān)控的機床組，即所要監(jiān)控的機床。在學校的DNC系統(tǒng)中，有

43、4臺機床聯(lián)網(wǎng)，分別是AWEA-A1600（fanuc）、OKUMA(fanuc)、VMC280(simmens)、LGMAZAJ640T(mazak)。首先在客戶端下將這四臺機床加入到機床組中來。然后，分別對機床組中的機床屬性進行定義，即機床基本信息設置。具體基本信息包括一下這些方面：機床名稱、所屬部門、所屬機床組、所屬服務器、日志文件夾、機床編號、日志表名、機床類型、訪問端口、機床IP。這些都是必須定義的機床屬性。接著，定義擴展信息，機床的擴展信息即對采集到的信號進行定義。硬件擴展信息的輸入操作步驟：如圖3.7圖3.7 擴展信息圖1.單擊”新增”按鈕,設置好智能終端IP,在旁邊的列表框內(nèi),選

44、擇相應的選項,為高低電平信號選擇定義;2.單擊”提交”按鈕,重復此動作,直至所有端口設置完成;3.單擊”保存”按鈕,完成端口的設置;更新的操作為:將新增操作的第一步”點擊新增按鈕”改為,選擇上面列表框中的紀錄,后面的步驟相同。 在北京蘭光給學校的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，采集了3個狀態(tài)信號，運行、關機、報警三個信號。因此，在擴展信息中應該給每臺機床添加三個選項。并且按照每臺機床在DNC系統(tǒng)中的IP地址，設置相應的IP。這樣，被監(jiān)控的機床在客戶端的定義就已經(jīng)完成，進入MDC-MAX monitor就可以開始監(jiān)控已經(jīng)連網(wǎng)的機床。分別把4臺機床置于不同的狀態(tài)，在監(jiān)控系統(tǒng)中就會反映出機床不同的狀態(tài)。在北京蘭

45、光的實際硬件調(diào)試過程中，采集到如下集中狀態(tài)：圖3.8顯示的狀態(tài)為數(shù)控加工中心AWEA-A1600處于報警狀態(tài)、數(shù)控車床LGMAZAJ640T處于正常運行狀態(tài)、數(shù)控加工中心VMC280處于正常運行狀態(tài)、數(shù)控加工中心OKUMA處于待機狀態(tài)（非3種狀態(tài)外的默認）。圖3.8 機床運行狀態(tài)圖1圖3.9是AWEA-A1600具體機床的運行狀態(tài)。包括主軸當前的坐標信息和機床的工作模式、緊急狀態(tài)、運行狀態(tài)、T/M模式、軸運轉(zhuǎn)否、報警狀態(tài)、編輯狀態(tài)、M/S/T/B狀態(tài)。同時，如果在AWEA-A1600的操作面板上改變主軸的位置，編輯狀態(tài)等等，整個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)會不斷的更新。在MDC-MAX monitor系統(tǒng)下

46、，還可以查看具體的報警信息，在數(shù)據(jù)庫中會有對應的報警信息，反映出機床為何報警。此外MDC-MAX monitor系統(tǒng)提供生成報表功能，能反映出具體機床的工作時間和利用率，并可直接生成報表，供領導者查看和分析。圖3.9機床運行狀態(tài)圖2第四章 數(shù)據(jù)采集器程序介紹及電路圖繪制4.1 單片機程序介紹單片機的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換過程即軟件調(diào)試部分，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的核心部分是單片機。要想實現(xiàn)單片機的采集工作就必須給單片機燒錄特定的程序，對其輸入輸出定義，使其經(jīng)過NPORT串口服務器后，能準確直觀的反映給終端服務器。給單片機燒錄程序的軟件已經(jīng)在上一章中講述（ISP軟件）。而在下載程序之前，首先得編寫程序，對應于單片機程

47、序的編制，可以有兩種編寫方式。即匯編語言編寫和C語言編寫。4.1.1 匯編語言和C語言比較 匯編語言是一種面向機器的程序語言，其可以直接控制硬件，指令執(zhí)行速度快，且指令的執(zhí)行時間固定，因此匯編語言的執(zhí)行效率高，但其語言格式比較晦澀，可讀性差，難于編寫和調(diào)試，也不便于移植，影響了程序代碼的共享。C語言既有匯編語言操作底層硬件的能力，又具有高級語言的許多優(yōu)點，因此，現(xiàn)代的單片機程序設計中廣泛采用單片機語言。即應用中的C51語言。 與匯編語言相比，單片機C語言在結(jié)構(gòu)上更易理解，可讀性差強，且開發(fā)速度快，便于移植。因此，使用單片機C語言進行單片機系統(tǒng)的開發(fā)，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。隨著單片機硬

48、件系統(tǒng)的發(fā)展和產(chǎn)品更新速度的提升，單片機的開發(fā)越來越側(cè)重于程序本身的開發(fā)效率，以便快速占領市場。因此，單片機C語言已經(jīng)成為目前最流行的單片機開發(fā)語言。因為大學期間學習的是C語言，具有一定的語言基礎，因此在實際的編程中采用的是C語言編程。51單片機開發(fā)除了需要硬件的支持以外，同樣離不開軟件，CPU真正可執(zhí)行的是機器碼，用C語言編寫的程序必須轉(zhuǎn)換為機器碼才能被執(zhí)行，轉(zhuǎn)換的方法有手工匯編和機器匯編兩種，手工匯編現(xiàn)在已經(jīng)很少應用。機器匯編是指通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼的編譯方法。這種匯編軟件稱之為編譯器。下面就以串口調(diào)試程序為例，介紹一下目前流行應用的Keil51C編程器。4.1.2 基于Keil

49、的程序編制過程隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使匯編語言到逐漸使用高級語言，單片機的開發(fā)軟件也在不斷的發(fā)展，Keil是目前最流行的51單片機開發(fā)軟件，對于使用C語言進行單片機開發(fā)的用戶，Keil已經(jīng)成為必備的開發(fā)工具。Keil提供了一個集成開發(fā)環(huán)境IDE（Integrated Development Enviorment）uVision,它包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器。這樣在開發(fā)應用軟件的過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各個階段都集成在一個環(huán)境中，先用編輯器編寫程序，接著調(diào)用編譯器進行編譯，連接后即可直接運行。開發(fā)人員可用IDE本身或其他編輯器編輯C

50、程序，Keil編譯器把C語言編寫的源程序與Keil內(nèi)含的庫函數(shù)裝配到一起，然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件（.OBJ）。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位，生成絕對目標文件（.ABS）ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的HEX文件，以供調(diào)試器dScope51進行源代碼調(diào)試。在實際的編程中，先用先用容易理解的高級語言編寫程序后，再通過編譯器和連接器轉(zhuǎn)換成機器語言代碼。Keil編譯器的軟件開發(fā)流程如下：下面結(jié)合串口調(diào)試程序中向PC機發(fā)送字符的程序了解Keil是如何進行軟件的開發(fā)的。1.建立工程首先啟動Keil軟件的集成開發(fā)環(huán)境uVision，uVis

51、ion啟動后，程序窗口的左邊會出現(xiàn)一個工程管理窗口，該窗口有3個標簽頁，分別是“Files”、“Regs”、和“Books”,這三個標簽頁分別顯示當前項目的文件結(jié)構(gòu)、CPU的寄存器及部分特殊功能寄存器的值和所選CPU的附加說明文件。使用菜單“File/New”或單擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目文件的右側(cè)打開一個新的文件編輯窗口，在該窗口中輸入源程序代碼，然后保存該文件，注意必須加上擴展名。源文件不是一定要用Keil軟件編寫，可以使用任意的文本編輯器編寫。 在編輯窗口中輸入串口調(diào)試程序。在項目開發(fā)中，并不是有一個源程序就可以了，還要為項目選擇一個CPU，確定編譯、匯編、連接的參數(shù)，指定調(diào)試的

52、方式。有一些項目還會由多個文件組成，為管理和使用方便，Keil使用工程（Project）這一概念，將這些參數(shù)設置和所需的所有文件都加在一個工程中，只能對工程而不能對單一的源程序進行編譯和連接等操作。選擇“Project/New Project”菜單，出現(xiàn)一個給將要建立的工程起名的對話框，不需要擴展名，取名為串口調(diào)試。單擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框。這個對話框要求選擇目標CPU（即用戶使用芯片的型號）。Keil支持的CPU種類很多，幾乎所有目前流行的芯片廠家的CPU型號都包括其中。選擇時，單擊所選廠家前面的“+”，展開之后選擇所需要的CPU類型。串口調(diào)試程序選擇Intel公司的8051即可。

53、選好廠家和CPU后回到主界面，此時的工程窗口的文件頁中出現(xiàn)了“Target 1”，前面有“+”號，單擊“+”號展開，可以看到下一層的“Source Group 1”，這時的工程還是一個空的工程，里面什么文件也沒有，需要手動加入編寫好的程序。單擊“Source Group 1”使其反白顯示，然后單擊鼠標右鍵，出現(xiàn)一個下拉菜單，選中其中的“Add File to Group Source Group 1”,出現(xiàn)一個需要添加源文件的對話框，注意該對話框下面的“文件類型”默認為C Source file(*.c),也就是以C為擴展名的文件，選擇串口調(diào)試程序，這樣文件被加入到項目中。 2.工程的設置首先單擊左邊“Project”窗口的“Target 1”，然后選擇菜單“Project/Options for Target “Target 1”,即出現(xiàn)工程設置對話框，此對話框共有8個選項卡，在這里只需部分的改動其默認值?！癤t