装备信息化终端中可扩展数据采集与控制技术的研究

发布时间：2020-08-26 07:51

【摘要】： 网络化制造系统中的信息化终端是在车间环境中实施网络化制造的关键装置之一,而数据采集系统是实现制造企业整个生产过程的信息集成,实施综合自动化,以及网络化制造中设备层远程监控的基础。在实际应用中,数据采集常常和工业控制联系在一起,形成一套完整的数据采集监控系统。由于各种工业现场条件不同,对现场的数据采集与控制功能的要求也不尽相同,而且各种信息化终端采用的体系结构和设计方案都有很大的差异,因此如何在各种信息化终端的基础上灵活扩展数据采集与控制模块来满足现场需要具有很大的研究意义,这也是本文研究的重点。 本文首先对车间现场数据采集的发展需要和信息化终端的发展现状进行了分析,并对工业以太网和USB总线在工业现场监控应用中的优缺点进行了分析,提出了一种基于信息化终端、采用工业以太网和USB总线扩展数据采集与控制模块的分布式数据采集与控制的总体方案,并叙述了工业以太网模块和USB模块在整个系统中功能和作用。 然后,详细分析了工业以太网和USB总线在数据采集与控制系统中实现的关键技术,重点对工业以太网和USB总线的体系结构和数据结构以及它们在数据采集与控制系统中的优势及其扩展性进行了研究,并对两种模块的实现方案和主要元器件进行了选型。 其次,根据前面选定的方案对两种扩展数据采集与控制模块的软硬件进行了设计和开发。工业以太网扩展模块的硬件采用C8051F020作为主控制器,采用RTL8019AS实现了10Mbps的网络接口,并基于C8051F020设计了8通道的12位ADC、2通道12位DAC、16路开关量输入、8路开关量输出、1个RS232串口和一个RS485串口,软件设计主要包括网络驱动程序的开发和嵌入式TCP/IP协议栈的实现。USB扩展模块的硬件采用CY7C68013作为模块的主控制器和USB总线收发器,采用GPIF控制ADS7852与DAC7802分别实现了8通道12位ADC和和2通道12位DAC,并基于CY7C68013设计了8通道开关量输入、8通道开关量输出、1个RS232串口和一个RS485串口,软件设计主要包括GPIF的波形设计与CY7C68013的固件程序开发。 最后,将开发的工业以太网扩展模块和USB扩展模块与本研究所开发的AU1X00嵌入式信息化终端相结合,在重庆机床厂无纸化项目中实现了对现场设备运行状况的监控,并取得了较好的效果。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH166
【图文】：

2.2 系统体系结构2.2.1 基于装备信息化终端的数据采集与控制系统总体结构信息化终端通过外部总线扩展数据采集与控制模块后，就具备了对现场监控的能力。由于现场的各种测控制单元对与数据采集与控制的实时性和带宽要求不同，就需要采用不同的外部总线扩展方式。针对现场需要进行高速数据采集的音视频信号、实时性要求非常高的故障诊断、以及离信息化终端较近（低于 5 米）的设备监控，可以采用带宽高达 480Mbps的 USB2.0 扩展模块进行数据采集和控制；针对离信息化终端较远的现场控制单元和不需要较高的实时性要求的现场信号（如温度、湿度等），为了简化现场布线和降低成本，可以采用工业以太网模块实现数据采集与控制。下图 2.1 是制造型企业信息化总体结构图，其中虚线框包围部分就是文本提出的基于信息化终端的分布式数据采集与控制系统，它是联系企业控制层网络与设备层的纽带。而图中阴影框部分正是本文要设计的两种外部扩展数据采集与控制模块。

图 3.2 TCP/IP 协议分层及相互关系图Fig3.2 the Relationship of TCP/IP layer用户数据用户数据应用数据应用程序首部TCP首部IP首部TCP首部应用数据以太网首部IP首部TCP首部应用数据以太网帧IP数据报TCP段46~1500字节应用程序TCPIP以太网驱动程序图 3.3 TCP/IP 封装示意图Fig3.3 Packet of TCP/IP Protocol

图 3.4 USB 的拓扑结构Fig3.4 Topological Structure of USB System用户软件和USB设备驱动程序USB系统软件（USB核心和主控制器驱动程序）USB主控制器根HUB主机系统功能单元USB逻辑设备USB总线接口USB设备USB功能层USB设备层USB接口层实际数据流 逻辑数据流图 3.5 完整的 USB 系统构成Fig3.5 Full Structure of USB System

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本文编号：2804910