基于物联网的生产数据采集器设计

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题目：基于物联网的生产数据采集器设计

指导者：

评阅者：“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为经济的发展提供技术推动力。同时，由于制造业的不断发展，对信息管理技术的要求越来越高，这同样对制造执行系统的生产数据采集环节提出了更高的要求。现代化制造业与物联网技术相结合必定是未来的发展方式。

本文就课题背景展开，试图将物联网技术与现代制造业的关系有机结合，并且着重从机械制造业来论证。通过基于WINDOWS系统开发的组态监控软件及具备微处理器的开发板结合的生产数据采集器的设计，完成数据的采集与传输。

关键词：物联网技术现代化制造业组态监控软件微处理器TITLE:The design of Production Data Collector that

based on Internet of Things

ABSTRACT:

The"Internet of Things"is called the third wave of the world information industry after the computer and the Internet.what the expert think is that the Internet of Things can improve the economic benefit and reduce the cost,on the other hand it can provide impetus for economic development.At the same time,because of the development of manufacturing industry,because of the demand of manufacturing industry development need more and more higher,this also put forward higher requirement for manufacturing execution system of production data acquisition.Modern manufacturing industry combine with Internet of Things must be the development in feature.

This paper in the background of research topic,and try to combine the Internet of Things with Modern manufacturing industry,and focus on machinery manufacturing industry to prove.Meanwhile there will be a design of state monitoring software base on the WINDOWS system and a LaunchPad with microprocessor.combine those will get a Production Data Collector.

Keywords：Internet of Things Modern manufacturing industry

state monitoring software microprocessor1.引言 (1)

2.研究背景及意义 (2)

2.2物联网概念及发展现状 (2)

2.3国内外生产数据管理及现状 (3)

3.物联网应用于制造业数据采集可行性分析 (5)

3.1制造业生产数据采集需求 (5)

3.1.1制造业生产数据采集特点 (5)

3.1.2现有制造业数据采集系统 (5)

3.2物联网技术功能分析及展望 (7)

3.2.1物联网基本组成 (7)

3.2.1.1感知层 (7)

3.2.1.2网络层 (7)

3.2.1.3应用层 (7)

3.2.1.4物联网应用所需环境 (7)

3.2.2物联网技术组成 (8)

3.2.2.1感知层技术 (8)

3.2.2.2网络层技术 (8)

3.2.2.3应用层技术 (9)

3.2.3物联网发展方向 (9)

3.3物联息安全性分析 (10)

3.4结论 (10)

4.生产数据采集系统总体设计方案 (11)

4.1总体设计 (11)

4.1.1设计原则 (11)

4.1.2通信方案选择 (11)

4.1.3系统整体结构 (12)

4.2生产数据采集终端硬件电路总体设计 (13)

4.3生产数据采集系统软件总体设计 (14)

4.3.1上位机软件总体设计 (14)

4.3.2终端软件总体设计 (14)

4.3.2.1功能分析 (15)

4.3.2.2流程总设计 (16)

5.生产数据采集终端硬件设计 (17)5.1触摸屏设计及电源选型 (17)

5.2RFID数据采集器终端的硬件设计和实现 (17)

5.3芯片电路设计 (17)

5.3.1微处理器选型 (17)

5.3.2电源管理电路 (18)

5.3.3串行接口电路 (19)

5.3.4USB接口电路 (19)

5.3.5液晶显示接口电路 (20)

5.3.6语音接口电路 (21)

5.3.7键盘接口电路 (22)

5.3.8WIFI接口电路 (23)

5.3.9以太网接口电路 (23)

5.3.10EEPROM电路 (24)

5.3.11蜂鸣器电路 (25)

5.3.12JTAG电路 (25)

5.4本章小结 (27)

6.生产数据采集终端软件设计 (28)

6.1窗口菜单设计 (28)

6.1.1菜单项设计 (28)

6.1.2生产计划界面设计 (28)

6.1.3生产界面管理设计 (29)

6.1.4设备管理界面设计 (30)

6.1.5质量管理界面设计 (30)

6.1.6通讯设置界面设计 (31)

6.2键盘采集程序设计 (32)

6.3设备窗口组态设计 (32)

6.4实时数据库设计 (32)

6.5运行策略组态设计 (33)

6.6程序结构及主程序设计 (34)

6.6.1用户登陆检测程序 (34)

6.6.2用户密码修改程序 (35)

6.6.3生产计划查询程序 (36)

6.6.4故障原因程序 (37)6.6.5串口参数设置程序 (37)

6.6.6接发数据程序 (38)

6.6.7用户窗口循环检测程序 (39)

6.6.8存盘机制 (40)

6.7本章小结 (40)

7.研究总结及展望 (41)

7.1研究总结 (41)

7.2前景展望 (41)

8.致谢 (41)

参考文献 (42)

1引言

现代制造业属于第二产业，是衡量国家工业化和现代化程度的基础性产业，也是国民经济持续发展的基础。

从1949年至今，我国已建立了一个比较完整的工业体系，从制造一般的产品到制造高、精、尖产品，尤其是“十一五”期间，我国的制造业取得了令人瞩目的成就，从总量规模来看，中国已处世界领先位置，跻身世界制造业大国的行列。但我们也存在无法忽视的弊端，如一般加工能力和中低档产品大量富余，高技术装备受制于人]1[。我国虽然是制造业大国，但还不是制造业强国，在这样的时代背景下，快速发展制造业的自动化及信息化的需求显得尤为突出。

物联网技术的兴起正是为各行各业的自动化、信息化和智能化打下了坚实的基础。物联网突破了互联网人与人通信的，通信能力扩展到人与物、物与物，通过计算机进程与物理进程的实时交互，使网络延伸到物体之上，实现对物理系统的实时跟踪]2[。是实现制造业自动化及信息化的重要技术基础之一。

将物联网技术与现代化制造业技术相结合是否能加速我国进入世界制造强国的目标呢？2研究背景及意义

2.1我国制造业发展现状及发展方向

我国是世界上机械发展最早的国家之一，机械工程技术历史悠久、成就辉煌，对我国物质文化和社会经济发展起了重要的促进作用，也对世界技术文明进步作出了重大贡献。由于众所周知的原因，清代中期以后，中国的机械制造水平明显落后于英国等欧洲国家。经过“洋务运动”和时期的努力，我国的机械制造业水平有了很大提升，但整体水平仍落后于欧、美、苏、日等地区和国家。建国至今我国的机械工业从小到大；从配修到制造；从单机到大型成套设备，为国民经济和国防建设提供了大量的机械装备。

目前，大型露天矿及大型施工设备机械基本实现自主化；百万千瓦超临界火电机组的锅炉、汽轮机和发电机的设计制造技术自主化率达到了85%以上；大马力拖拉机和一批农机具已结束了依赖进口的历史。中国机械装备自给率从“九五”的70%提高到现在的85%，汽车工业方面2009年中国汽车产销量均为世界第一，产量占全球比重上升到22.6%，已名副其实的成为汽车产销大国；船舶工业方面，规模总量实现跨越式的发展，产业基础全面巩固，综合实力提升显著；航空工业方面，实施了“大型飞机”科技重大专项，航空产业规模迅速扩张，民用飞机的研制、生产、销售情况良好，外贸和转包取得了长足进步。

虽然中国已跻身制造大国行列，初步具备了由世界机械制造大国向机械制造强国冲刺的基础和条件，但大而不强的矛盾仍然困扰着整个行业的发展，高端装备的不同领域大部分或全部依赖进口，多数出口产品是贴牌生产，拥有自主品牌的不足20%，附加值低。制造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源能源消耗大，污染严重是我国目前制造业发展面临的问题。

我国制造业发展思路为：

（1）提高装备设计、制造和集成能力。以促进企业技术创新为突破口，实现技术装备关键材料与关键零部件的自主设计制造。

（2）积极发展绿色制造。形成高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺。制造业资源消耗、环境负荷水平进入国际先进行列。

（3）用高新技术改造和提升制造业。大力推进制造业信息化，积极发展基础原材料，大幅提高产品档次、技术含量和附加值，全面提升制造业技术水平。

2.2物联网概念及发展现状

物联网是互联网概念基础上将用户端延伸拓展到任何物品，进行信息交换和通信的一种网络概念。互联网时代，人与人之间的距离变近了；而互联网之后的物联网时代，则是人与物、物与物之间的距离变近了。物联网是全新的网络架构，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。

物联网是技术发展与应用需求达到一定阶段的必然产物。物联网是典型的跨学科技术，计算进程与物理进程发展的统一体，已成为信息技术发展新趋势。物联网的定义是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

对于物联网的概念解析有两点：第一，物联网的核心和基础仍是互联网，是在互联网基础上延伸扩展的一种网络；第二，其用户端延伸扩展到了任何物品，人与物可以通过物联网进行信息的交换和通信]2[。

每一次经济或金融危机后，经济发展总在寻找新的出路，其中科技进步被寄予厚望。物联网在这次金融危机中，极有可能成为经济发展的动力源之一。据美国权威咨询机构Forrester预测，2020年世界上“物物连接”与“人人通信”业务相比，将达30比1，也有预测称比例将会更高。其发展前景巨大，对社会和经济的影响不言而喻。

我国的物联网是以射频识别（RFID）技术的广泛应用为全国物联网的发展基础，目前我国RFID技术已得到广泛应用。通过物联网的发展，一些尖端的信息技术会得到很好的推动。

欧盟对于物联网的发展做出的预测称物联网的发展将经历四个阶段：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，2011~2015年物体互联，2015~2020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化。就目前而言，物联网的许多相关技术仍然处于开发测试阶段，与不同系统之间融合、物与物之间的普遍链接的远期目标还存在一定的差距。

2.3国内外生产数据管理及现状

现代企业基于综合自动化系统，通过信息融合实现企业信息化]3[。企业信息化包括基础建设、产品研发信息化、生产制造信息化、企业管理信息化、企业商务信息化和企业信息系统集成六个方面]4[。如下图所示。制造执行系统作为企业信息化重要组成部分，它的产生和发展是与企业信息化的发展历程紧密相关]5[。现代化的企业管理经过发展，不断完善，但在实际应用在还有些许不足。为了解决生产计划的可执行性、适应性、实时性及灵活性，20世纪90年代，美国制造研究机构提出了制造执行系统MES概念，将MES定位于重点解决车间的生产管理问题]6[。车间制造执行系统（Manufacturing Execution System,MES）是面向车间的生产过程管理的实时信息系统。它填补了上层生产计划与底层工业控制之间的鸿沟，可以为用户营造一个可视、实时、精细、可追溯的制造环境，MES最大的价值就是数据和信息的转换]7[。

经过半个多世纪的发展，发达国家已经在航空、军事、工业等领域广泛使用数据采集技术。目前国外数据采集终端朝着使用方便、功能多样化和微型化发展。国内数据采集技术终端有着良好的发展趋势，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本达到了国外数据采集的初期水平]8[。

为了使制造执行系统更好的适应车间生产，我们需要设计出一种生产数据采集方案，它具备针对不同的产品自动调整数据采集方案的能力。

图2-1企业信息化基本内容3物联网应用于制造业数据采集可行性分析

3.1制造业生产数据采集需求

3.1.1制造业生产数据采集特点

因机械制造业属于离散制造业与连续制造业生产在设备、物料及产品特点存在差异，导致两种制造业在制造管理上存在诸多差异。离散制造业的车间制造执行过程中的生产数据采集体现出以下特点：

（1）随着企业竞争加剧，越来越多的离散制造企业实现多品种小批量订单生产方式。如航天制造业，产品品种多达上千种，每种产品的批量较小，多的几十件到上千件，少到几件甚至单件（研制生产），给企业生产数据采集带来挑战。

（2）离散制造企业多品种、多型号的机床并存，难以预先设定较为准确设备产能。企业员工的能力参差不齐，缺乏稳定的技工。生产计划在各种因素的影响下，插单现象频繁（如大型发动机制造），突发事件多，这加剧了生产数据采集的复杂性。

（3）相对流程制造企业，离散型制造企业设备功能冗余度大，往往拥有大量的机床和数控设备。这些机床和数控设备种类多、品牌杂、新老并存（国有企业更为严重）。设备的协议与接口种类差别很大，通讯接口间兼容性差。有些数控设备没有网络接口、只提供软驱或串行口，因此数据采集难度大。

（4）由于每个操作可能涉及不同的物料、设备、工具及文档等资源，这些资源离散地分布在企业中。因此在异步、并发的离散流程中，需要采集的生产数据种类多，彼此之间关联性高。

（5）许多离散制造企业产品零部件的加工工艺复杂、质量要求高。如航天类产品，质检工作是生产的重要组成部分，需要对质量过程进行全面管理。质量数据采集是数据采集的重要组成部分]9[。

3.1.2现有制造业数据采集系统

分析航空、航天、装备、造船等离散制造企业，将其生产数据分为：

①带有时标的生产过程数据

②带有时标的报警、消息、生产事件信息

③手工实验数据（如果各种理化检测指标）

④计量数据（如称重数据）

⑤批次信息（如批次号码、批次执行状态等）

为了保证这些数据成功采集以及在MES中的成功应用，本文采用如图1所示的方案。此方案遵循以下原则：①完整性、实时性原则。MES系统的有效运行需要数据采集系统提供全面的车间动态数据。部分生产类型数据的缺失、或者部分设备信息的缺少，都将影响MES应用模块作用的发挥。各种带有时标的生产过程数据以及报警、消息、生产事件信息是有时效性的，延时的记录和存储将会导致应用错误甚至失败，因此需要借助实时数据库以及数据引擎实时获取这些数据，并实现实时计算，实时分析，实时报表等应用。

②多种采集技术综合应用、人机结合原则。离散制造企业生产层既包括大量的复杂制造设备，也具有大量的手工工位，如图1生产层所示。图中：M—车间的设备或工位。任何一种方法均难以覆盖企业的生产数据采集。因此，离散型制造车间数据采集方式必然是多种数据采集技术的综合应用。在工程应用中，为了经济地实现数据采集，离不开人机结合原则。虽然，人工介入的数据采集具有“不可靠”的隐患，但是，这是保证数据完整性和采集经济性不可避免的手段。人工介入数据采集需要通过制度、考核手段的改进来保证采集数据的实时性和准确性。

③易于集成应用原则。生产数据采集处于MES应用系统与生产设备控制系统的中间层，MES系统需要基于这些实时数据进行统计分析，实现生产订单管理、计划排产、调度跟踪以及物料管理，并将这些信息通过各种图表等可视化方式在车间实时显示监控。必要时，还需要将某些生产信息通过ERP/MES的集成接口，传递到ERP系统，为企业上层管理部门决策所用。

图3-1离散制造业数据采集应用方案

根据离散制造企业MES中生产数据采集特点，其常用的数据采集方式包括

DNC网卡采集方式、宏指令采集方式、PLC采集方式以及RIFD采集方式。在实际应用过程中需要结合实际企业的具体情况，有选择地综合应用这些方式，以

满足离散制造企业生产数据采集的各项原则。

3.2物联网技术功能分析及展望

3.2.1物联网基本组成

物联网体系结构可划分为感知层、网络层和应用层。各层之间，信息不是单向传递的，也有交互和控制。其中主要是物的信息，包括识别码、静态信息及动

态信息等。

3.2.1.1感知层

物联网不仅局限于人与人之间的网络通信，还将网络的触角延伸至物体上，其“物”的特点就是通过感知层来实现的。

感知层完成了信息采集、转换、收集和整理，包括信息获取和信息短距离传输两个部分。信息获取主要由电子标签及传感器等构成；短距离传输负责收集终端装置采集的信息，并将信息在终端装置和网关之间双向传送。

现在许多领域已经开始给物体分配唯一的标识符，其应具有唯一性、永久性、简单性、可扩展和兼容性、简洁性等特性，以便识别。设置了合理的标识符后，

通过自动识别技术及传感器技术则可以进行数据采集及分类。

3.2.1.2网络层

物联网是网络的一种形式，其重点在于“网”，通过一个庞大的网络体系才能将感知层的信息进行管理和整合。根据需求，未来其必定依靠互联网多种接入

点实现全局网络计划。

3.2.1.3应用层

物联网发展的目的即为可直接使用的各种应用，也就是将“感知层感知到的信息”和“网络层传输来的信息”更好的加以利用。

应用层解决的是信息处理和人机交互问题，其包括了中间件（软件）和应用场景（应用系统）。主要基于软件技术和智能终端的应用层离不开云计算，云计算作为一种虚拟化的硬件、软件解决方案，可以为物联网提供强大的信息处理能

力。

3.2.1.4物联网应用所需的环境

物联网将成为一个由数亿使用无线标识“物”的动态网络，并赋予“物”完全的通信及计算能力，这需要普适计算和云计算的环境。

普适计算是信息空间与物理空间的融合,在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化服务。而信息空间与物理空间的融合则有两层含义：绑定和自发的交互，绑定即是为物品设立标签（标识符），自发的交互是指物理空间和信息空间之间无需人干预的交互，其中任一个空间状态的改变可以引起另一

个空间状态的相应改变]10[。

云计算是一种超大规模、虚拟化、易扩展、廉价的服务交付和使用模式。云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务,把IT资源、数据、应用作为服务通过互联网提供给用户]11[。

3.2.2物联网技术组成

3.2.2.1感知层技术

感知层进行信息采集、转换、收集和整理任务，所以其必然包含大量的传感器网络和无线通信技术的应用。

传感器网络主要由温度传感器、压力传感器、气敏传感器、位移传感器及光电式传感器等单独或复合而成。而应用在物联网感知、识别与控制层的传感器节点往往满足体积小、精度高、生命周期长的要求。高新技术渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，智能传感器既微处理器与传感器技术相结合的产物。

自动识别技术是信息数据的自动识读、自动输入的重要方法和手段，即一种高度自动化的信息和数据采集技术。几十年来在全球范围内得到迅猛的发展，初步形成了一个包括条形码技术、磁条磁卡技术、无线射频识别技术、声音识别技术等多专业多学科相结合的高新技术学科]12[。

近年来随着ZigBee、Bluetooth、RFID、UWB、Wi-Fi、WiMAX、3G等各种无线技术的出现与成熟，物联网感知层通信部分可选择性越来越大，是物联网实现泛在化（普适性）通信的关键。同时传统有线接入网技术也不能被忽略，生活中便能感到其中的利弊：无线网虽然方便，但时常会突然断线，并且穿透力差、

传播距离短等缺点是有线网可以完美解决的问题。

3.2.2.2网络层技术

从1970年期美国第一次使用商品代码至现在已经过去四十几年，从最初的条型码技术已发展为多种类型的识别码，读写更稳定、信息容量更大。而物联网基于的编码体系为EPC码及UID码。

就EPC码而言，其拥有足够的编码容量来保证编码的唯一性，但是目前网络技术仍为Ipv4，仅拥有32位地址空间，其网络地址资源远远不能满足物联网社会的需求。但是正在发展中的Ipv6技术拥有128位地址空间，保守计算地球上平均每平米可分配1000多个地址。所以一个完全物联网化的社会必然依靠互联网技术的跨越式提高。

编码技术识别对象之后，对于信息的传递及处理能力又是制约物联网发展的问题。现有技术中普适计算和云计算的理念可以有效解决上述问题。

普适计算的研究者们力图完成一下目标：

（1）无所不在：用户可以随地以各种接入手段进入同一信息世界；

（2）嵌入式：计算和通信能力存在于我们生活的世界中，用户能够感觉到它和作用于它；

（3）游牧性：用户和计算均可按需自由移动；

（4）自适应性：计算和通信服务可按用户需要和运行条件提供充分的灵活性和自主性；

（5）永恒性：系统在开启以后再也不会死机或需要重起，部件可以因需要、出错或升级更换，但整个系统则永远可用。

而云计算则更加偏重于依托服务器的功能，云计算是一种基于互联网的计算模式，其计算资源包括计算能力、存储能力、交互能力等等，都是动态的，虚拟化的，而且是以服务的方式提供。

依托两种计算模式相互结合，物联网社会的美好愿景就在我们眼前。

3.2.2.3应用层技术

应用层根据用户的需求，构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成了相关的内容服务。物联网的各个层次间既相对又紧密联系。为了实现整体系统的优化功能，服务于某一具体应用，各层间资源需要协同分配与共享。以应用需求为导向的系统设计可以是千差万别的，并不一定所有层次的技术都要采用。即使是在同一个层次上，可选择的技术方案也可以按需配置，但是优化的协同控制区资源共享首先需要一个合理的顶层系统来为应用系统提供必要的整体性能保障]13[。

为了实现各种丰富的应用和各类信息的共享，还必须构建一个统一的行业运行平台，为各类用户提供具体业务和服务的接口。

物联网的实际应用中，往往需要将微处理器系统处理后的数字信号用于控制外部执行装置或设备。根据受控对象和具体要求，其信号可以有不同类型，如模拟量信号、开关量信号和数字量信号等]12[。同时在控制方面可以使用PID控制技术、模糊控制技术和神经网络控制技术等先进控制技术来实现目标功能。

3.2.3物联网发展方向

现在物联网的工作者们正在努力将如下几个方面的不足完善：

（1）个人隐私与数据安全（2）公众信任（3）标准化（4）系统开放

同时在物联网技术应用领域的功能开发也是时下研究的热门，智能交通、环境监测、智能电网、环境保护、智能物流、医疗保健、工作、智能家居、公共安全、智能消防、工业检测、通信等多个领域需要物联网技术跨越式的发展。

以解决时下消费者需求与生产力相制约的矛盾。

3.3物联息安全性分析

从信息与网络安全的角度来看，物联网作为一个多网异构融合网络，不仅存在与传感器网络、移动通信网络和互联网同样的安全问题，同时还有其特殊性，如隐私保护问题、异构网络的认证与访问控制问题、信息的存储与管理等]14[。

作为互联网的延伸，物联网的安全也是互联网安全的延伸，物联网和互联网的关系是密不可分、相辅相成的。但是物联网和互联网在组织形态、网络功能和性能上的要求都是不同的，物联网对实时性、安全可信性、资源保证等方面有很高的要求。故物联网的安全并不是全新概念，它比互联网的安全多了感知层，传统互联网的安全机制可以应用于物联网上，但因为物联网的安全更加复杂所以不能照搬照抄。

为此物联网采用分层安全机制，大致分为信息感知层安全机制、物联接入层和网络传输层安全机制、技术支持层安全机制及应用接口层安全机制。同时物联性所需，必然广泛依靠云计算、无线网络和Ipv6等技术，在使用中他们同样面临着安全风险。

虽然风险如此之多，但是有大量的工程师正无时不刻的致力于完善这些问题，让信息社会更加安全。

3.4结论

综之如上，物联网的功能及发展完全可以满足制造业的数据采集任务，让数据采集的实时性、准确率及安全性大大提高，从而为制造业发展打下坚实的基础。让我们可以早日跻身世界制造强国。

4生产数据采集系统总体设计方案

4.1总体设计

4.1.1设计原则

生产数据采集管理终端的设计原则主要包含以下方面:

(1)系统应当具有较高的数据传输可靠性,准确性。数据能够可靠传输,才有使用的价值。因此这是最重要的设计原则。

(2)系统要支持较多功能,具备较强的通用性,能够适应多种使用环境。不同企业的生产环境会有差异,同一个企业随着生产条件的改变也可能发生变化。因此具备一定的通用性,也是重要的设计原则。

(3)系统要具备良好的人机界面,方便用户使用、提高用户体验水平。终端是面向使用者来进行设计的,良好的人机界面能够更好满足用户的需求、提高使用效率。

4.1.2通信方案选择

生产数据采集管理终端作为釆集与发布信息的设备需要与上位机建立通信联系。根据本章第一节对生产数据采集管理终端设计需求进行的相关分析，结合生产数据釆集管理终端的使用环境及设计原则，要求生产数据采集管理终端能够支持无线网络以及有线通信，以提高生产数据采集管理终端使用的可靠性、通用性、灵活性。对具体通信方案的选择进行分析。

根据需求分析，生产数据采集管理终端的设计要使用无线来传输数据。为了操作使用的方便，设计为手持式终端采集设备。手持式设备使用的无线通信方案有GPRS、WIFI、Zigbee三种。短程无线通信方案主要有WIFI技术和SgBee技术。ZigBee技术常用于无线传感网，功耗较低，但是数据通信速率相对较低，组网、加密等方面也不能够满足釆集设备的使用要求。根据对局域网通信的介绍，WIFI 技术则能够克服这些缺点。在生产数据采集管理终端上使用Win模块，加上无线路由器与无线接入点，就构建了无线网络。通过终端就可以将生产数据传输至服务器。随着WIFI技术使用的愈发广泛，使用WIFI网络可以利用现有的基础设施从而降低成本，传输速率完全能够满足工业数据的传输需求。当然在可靠性上，无线网络的表现受环境的影响比较大，在传输频段受到强烈的干扰情况下，数据传输的可靠性会受到比较大的影响，这也是所有无线通信系统面临的问题，可以通过在应用层面对数据进行更加严格的校验，确保数据传输可靠。WIFI工作于2.4G频段，在大部分工业环境中这一频段的干扰源并不常见，应当尽量将WIFI 部署在对其频段干扰较小的环境中，在干扰较大的环境中则可以应用有线的数据传输手段。

生产数据釆集管理终端使用WIFI技术已经可以构建无线网络，能够进行数据的传输。但在采集一些机器设备时，要求更高的通信速率与可靠性，或者无线网络面临严重的干扰噪声时。都需要更为可靠的通信方式。对于企业底层有线通信来说，常用的方案是RS485总线。RS485总线是工业上常用的现场控制总线，其传输距离较远，抗干扰性也较强，但是存在通信速率较低的问题。RS485总线网络最多只能接入128个节点。RS485采用差分信号传输数据，是半双工的总线，采用主从式的架构，终端无法实现主动的数据釆集，所以RS485不能够满足使用要求。

目前已经有很多工业数据的采集通过以太网来进行。交换式以太网具有非常高的通信速率以及高可靠性，几乎不会发生冲突并且能够轻松进行全双工通信，终端接入数目根据网络地址段来决定远远超出RS485总线的接入数量。以太网能够与无线局域网直接连接构建统一的网络。对于服务器端管理者来说,无论使用以太网或者无线网络，上层协议都是使用TCP/IP协议来通信的,所以没有区别，能够保持管理界面的一致性，就可以根据实际的使用要求来选择。

当使用以太网时，就可以不用WIFI。在特殊环境下，也可以将终端作为从以太网到无线网络的网关，满足不同的需求，具有很大的灵活性。采用以太网不是无线网络的补充，而是互为依托增加系统的可靠性。

4.1.3系统整体结构

根据制造业车间生产数据采集管理自动化的需求,对生产数据釆集的分类以及采集方案的分析,结合无线局域网通信与以太网通信的组合方案,生产数据采集管理系统的整体结构设计如图4-1所示。

生产数据采集管理系统作为MES的子系统,用来实现制造车间内生产数据的采集与管理,能够提高生产效率与信息化水平。系统整体结构由数据釆集管理终端、网络环境、上位机管理软件构成。

生产数据采集管理系统作为MES的子系统，用来实现制造车间内生产数据的采集与管理,能够提高生产效率与信息化水平。系统整体结构由数据釆集管理终端、网络环境、上位机管理软件构成。

生产数据采集管理终端作为面向用户的智能终端设备，通过人工输入或者设备接自动采集的方式来采集各种生产数据,并将上位机下达的生产计划等生产信息传达给用户。终端设备作为系统的网络节点,是数据采集管理系统的基础。数据采集管理终端的设计是本文的主要工作。网络环境为无线网络与以太网相结合的技术方案。网络环境就是组建符合要求的分布式网络,准备相关的网络设施并进行相应的配置,使终端可以和上位机之间进行通信。

上位机管理软件用来实现对釆集的数据的加工、处理、存储,实现对车间生

图4-1生产数据采集管理系统结构图

上位机管理软件用来实现对釆集的数据的加工、处理、存储,实现对车间生产的信息化管理，配合终端的使用实现生产数据信息的交互。只有上位机管理软件功能的实现，生产数据的采集才有意义，管理软件离不开终端设备与网络环境的支持。

数据采集管理终端与上位机管理软件建立通信联系时需要确定相应的通信模式,网络内常用的通信模式有B/S与C/S架构。B/S架构成为浏览器/服务器模式，通过网络浏览器来访问服务器，一般用于广域网。生产数据采集管理终端支持浏览器耗费资源较多，而且实现较为困难。生产数据采集管理终端主要用于车间范围内的局域网环境。C/S模式为传统的客户端/服务器模式，适用于局域网环境，安全性较高，在终端上实现也较为容易。

终端与上位机之间的网络通信方式釆用C/S架构,由终端作为客户机,永远由终端设备发起连接。上位机服务器端只监听连接，当监听到终端的建立连接请求后，连接才能够建立。终端会维护连接,保持连接处于正常通信状态。服务器可以同时与多个客户端建立连接,具体连接数取决于网络地址段的容量,在C类地址上,可以容纳255个主机。

4.2生产数据采集终端硬件电路总体设计

根据生产数据采集管理终端的功能设计，硬件电路由以下部分组成：

1.数据处理部分：(1)处理器基本配置电路

(2)EEPROM存储电路

2.通讯部分：

(3)JTAG调试电路

(4)以太网接口电路

(5)WIFI模块通信电路

(6)串行通讯电路

3.外部设备部分

(7)USB接口电路

(8)液晶显示电路

(9)语音合成电路

(10)电源管理电路

(11)键盘电路

(12)A/D接口电路

(13)LED指示以及蜂鸣器电路

整体结构如图4-2所示。

图4-2电路结构图

4.3生产数据采集系统软件总体设计

4.3.1上位机软件总体设计

上位机软件通过RS232串行接口与外围数据源模块通信，完成数据采集工作，然后做适当数据处理后，进行数据存储与显示。

功能模块

上位机软件主要包括以下模块：

（1）巡检入库：此模块是上位机软件的主要功能模块，完成上位机与下位机（外围数据源）之间的通信，将采集到的数据适当处理后保存到数据库中，并将部分数据显示到巡检主界面中。

（2）系统设置：串口参数设置，用来更改或保存通信端口号及其波特率。上传参数设置，用来更改或保存下位机部分参数。分站管理设置，用来更改或保存分站选中状态。

（3）速度检测：用来测试某一分站新增记录的获取速度。

系统模块如图4-3所示

图4-3速度检测模块

4.3.2终端软件总体设计

4.3.2.1功能分析

根据生产数据采集终端的应用要求，确定软件所需具备的功能。该终端的首要任务就是采集生产任务中的各种数据并进行传输。数据采集需要设计采集数据过程的程序。而数据的传输过程即通信过程主要包括：（1）上位机与下位机之间的通信过程；（2）设备数据接口与生产数据采集终端之间的通信过程；（3）保证数据收发的通信协议的设计。另外考虑到终端的使用要求，随生产环境或者任务的改变应当可以灵活的更新代码而不需拆开外壳，因而需要进行在应用编程的程序设计。另外包括对程序的保护，保证代码的安全性。

生产数据采集终端作为一种手持式设备，需要具备良好的人机界面，需要对各种参数进行灵活的设置与修改。使用菜单方式设置，易于使用并符合大多数人的使用习惯。并且所有的参数都可以通过菜单直观地看到，随时可以检查与修改。并且对于一些程序功能，也可以依托菜单来实现，可以实现随时的扩充与修改。

根据以上需求分析，该触摸屏终端需要具备用户登录、计划查询、生产数据管理、设备运行状况等多方面功能。下面对各功能界面进行总体描述：用户登录窗口：支持用户编号输入及密码填写，并认证用户名及密码真确性。同时支持对应用户名下密码的修改。

生产计划窗口：输入员工编号后，利用索引值从数据库检索该员工的生产计划。上位机可以对生产计划数据库进行修改，而下位机不支持对员工计划的修改。

生产管理窗口：能把员工在生产过程使用的设备信息、生产出的产品信息以及完成生产所花费时间记录下来并存盘。支持实时保存和意外退出时的数据保存。

设备管理窗口：能够记录员工操作设备情况。技工维修时能够描述设备故障原因，对维修情况记录，最终把所有数据存盘生产CSV文件。

质量管理窗口：质量检测人员进行检查时能对产品合格情况进行统计，对于产品合格情况进行实时统计，存盘数据。

通信设置窗口：上行下行数据能够通过串口进行传输，涉及波特率、串口修

改等问题。支持字母、数字的发送和汉字、字母、数字等任何字符的接收功能。

4.3.2.2流程总设计

根据功能需求，该终端能够验证用户数据库，进行数据浏览，不同模块下可执行不同功能，相互之间不产生影响，最终可将生产过程中的各类数据存盘导出。设计如图4-4所示流程图，用户在触摸屏上登录后，可查看生产计划，检测产品质量和维修设备。当需要对外部进行通讯时，可以通过通讯模块进行串口、波特率、数据位的设定，并通过状态条查看设定情况，设定正确后即可与上位机进行传输。

图4-4软件设计流程图5生产数据采集终端硬件设计

数据采集终端涉及PLC、MCGSTPC触摸屏以及STM3芯片为核心的电路板，

以下将分别对其进行介绍。硬件设计内容包括进行数据采集系统构建与功能模块设计、利用辅助电路设计软件完成硬件电路原理图和印刷电路板部分的设计，开

发设计选择硬件系统和电路板。

5.1触摸屏设计及电源选型

在车间生产过程中，提供了按键与触摸两种操作方式。对于触摸屏，选取市面上已有的产品来作为程序运行的载体。采用已有的触摸屏载体，有利于缩短开发周期。

开关电源利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，能够维持稳定的输出电压]16[。故可用来给触摸屏供电。采用三路输出开关电源为触摸屏供电。接入220V电压，输出24V电压。

开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。由图中可看出白色线为220V电压接入口、黑线为24V电压输出口。L端口接220V交

流火线，N端口接220V交流零线。

5.2RFID数据采集器终端的硬件设计和实现

根据图中的RFID数据采集终端结构图，以模块化的方式对数据采集终端硬件进行设计。数据采集终端分别有几个模块组成：主控模块，上位机通信模块，射频标签数据采集模块，键盘操作模块和液晶显示模块。数据采集终端的主控模块是一块C51系列的CPU，它负责控制数据采集终端各个模块的工作。上位机通信模块控制数据采集终端与外部计算机进行数据传输，在本设计中终端机与上位机是以RS422串行通讯方式与外部计算机进行实时通信。人机接口则是以液晶模块和键盘操作模块组成,使本系统具有良好的人机交互界面。

此外，为了提高系统的稳定性和可靠性，系统还需设计若干辅助的电路模块。如看门狗电路模块，若系统在一定的时间内工作异常，看门狗电路会对主控单片机进行复位使其重新工作。另外，系统也需要EEPROM、RAM等存储芯片，其中EEPROM用于存放外部扩展字符，以用于液晶显示屏上显示汉字和一些特别

的字符；而RAM用作缓冲区用以提高系统对数据的访问和显示速度]17[。

5.3芯片电路设计

5.3.1微处理器选型

STM32系列32bit处理器由意法半导体公司研制，采用Cortex-M3内核属

于ARM V7架构。ARM系列的内核己经成为嵌入式系统应用的主流。ARM V7架构是ARM公司2006年推出的架构，在这个版本中内核架构从单一款式变成3种：A系列应用于高性能的幵放应用平台,广泛应用于手机等消费电子产品；R 系列用于高端的嵌入式系统，要求实时性高；M系列也就是本文中所使用的系列，用于深度嵌入的、传统单片机风格的系统，具有低成本、低功耗、极速中断反应以及高处理效率等特点]18[。

STM32F107VCT6是意法半导体推出的互联型微控制器。芯片集成了大部分的主流外设接口网络、CAN、USB、UART、SPI等。更重要的是芯片内集成了以太网，支持IEEE802.3协议]19[。相比STM32F103增强型系列的芯片，没有FSMC 模块（灵活的存储器扩展接口），但接口较为丰富，内存和Flash容量更大。

STM32F107大致功能如下：最高72MHz主频

256KB Flash

KB SRAMUSB2.0全速设备10/100M以太网(不含物理层) 2个CAN总线接口

2个12位ADC(18通道)2个12位DAC

2个I2C总线接口

5个UART接口

3个SPI总线接口

4个通用16位定时器80个通用输入输出引脚

选用STM32系列作为MCU是因为该系列处理器优异的性能,能够支持以太

网，片上资源丰富。ARM系列的通用开发环境与库函数接口,可以缩减幵发流程。而且STM32F107作为互联性产品特别满足本文中所应用的网络生产数据采集管

理终端的使用要求。所以采用该型处理器作为微处理器。

5.3.2电源管理电路

电源电路是电子设备电路的基本组成部分。依据电路的功能要求，对电源电路进行分析：集成电路大部分器件的供电电压为3V到5V之间，STM32F107供电电压为2V到3.6V，应取3.3V为主要的供电电压。考虑到功率的峰值以及一定的安全冗余(作USB主控器的时候会向外输出电流)，电源总输出能力应当在800mA以上。对于手持式设备来说，电路应当支持锂电池供电，而且能够对锂电池相关的充电状态以及电量进行监测。

手持式设备必须考虑对功耗的控制，无线通讯模块以及显示设备不使用时应当关闭其电源以节省功耗。电源电路应当具备电源管理的能力，能够对电源的使用进行控制。电源电路图如图5-1：

图5-1电源管理电路图

5.3.3串行接口电路

工业上应用极为广泛的数据接口有RS-232、RS-485等，且大部分带数据接口的设备都有这些接口。为了保证数据的传输，在生产数据采集终端上需要添加串口。通过RS232接口连接的设备所采集到的数据，组装成帧，通过网络连接被发送到服务器端。

STM32F107芯片内共有5个串口可以使用。用来进行采集任务的外接串口共使用了两个：其中一个为USART接口，RS232和RS485可通过跳线选通使用；另一个为RS232接口。电路硬件使用一个MAX3232电平转换芯片，两路外接9线接插件，即DB-9接口；使用一个MAX3485的RS485接口芯片，如图5-2所示，3.3V供电，外部连接RS485接口，可以实现RS485或者RS232总线的数据传输功能。另外，串行接口通讯电路图如图5-3所示。

图5-2MAX3485接口芯片电路

图5-3串行接口通讯电路图

5.3.4USB接口电路

当以STM32F107芯片为核心做成的生产数据采集终端作为硬件电路板装入做好的外壳后，如果需要更新程序，再通过JTAG接口来下载则需要拆去外壳，很不方便。由于USB技术的普及和发展，现今已经可以通过USB接口来进行设备之间的互联，采集或者存储数据。故可利用USB口在应用编程的模式下下载程序，这样就可以利用USB线，在开机的时候按下任意键来进行程序更新。通过USB口还能提高系统的可扩展性。

STM32F107单片机硬件内置了USB OTG模块。OTG由USB IF在2001年公布，完全兼容USB2.0标准并且增加了一些功能，应用于移动设备或者不同的设备之间的互联和相应的数据交换]20[。当生产数据采集管理终端与PC或充电器连接时，为电路输入电流。当接入U盘等USB设备时，单片机作为控制器端，通过电源向外输出电流。输出电压为5V，输出电流不能超过500mA。TPS2041BDBV为电流的电源分配开关，根据MCU的控制信号，来打开或者关闭电源通路，电流输出上限是500mA，具备故障指示的功能。USB接口电路如图5-4所示。

图5-4USB接口电路

5.3.5液晶显示接口电路部分

生产数据采集管理终端作为手持式设备，在通过键盘进行数据采集的时候需要通过液晶显示器进行提示，并且将输入的数据同步显示。在对菜单设置操作时，更加离不开显示器的支持，而且在收到上位机的消息时需要通过液晶显示器将收到的信息进行显示。考虑到系统需求，需要显示器带有字库，能够通过显示汉字，字符以及数字，占用的I/O口也不能太多。128ZW型号的128*的点阵液晶显示器，自带字库，使用3.3V供电，占用12个I/O口，操作简便，资源占用少，能够满足系统的使用要求。电路图如图5-5所示。

液晶接口电路采用并行接口传输数据。在这里与语音模块采用同一路电源输出。

图5-5液晶接口电路

5.3.6语音接口电路部分

生产数据采集管理终端在接收信息时如果能有语音播报会更加人性化,在通过键盘进行采集数据或者设置菜单的时候,都需要语音的提示。发送信息的成功与否,充电是否完成等状态也需要语音提示。所以要在电路中添加语音模块,用以实现语音的提示与信息的播报。由于播报信息的内容是网络发送的生产信息,事先不能知道其内容,所以语音电路需要一种能够直接将文字等文本字符转换为语音输出的功能。目前已经有集成的语音合成的芯片可以实现这种功能。中文语音合成芯片主要有科大讯飞公司的XFS系列(性能较好,价格较贵),宇音天下公司SYN系列。考虑到使用场合与性价比选用了SYN6288作为TTS语音合成的实现。

语音电路芯片SYN6288电源供电范围为2V到5.5V。音量由电压决定,电压越大则声音越大。扬声器接芯片的BNO与BPO之间,也可以接功放再由功放接扬声器。经过试验接普通的0.5W的扬声器基本可以满足要求。

图5.6语音合成芯片处理过程

5.3.7键盘接口电路部分

在生产数据的采集过程中,需要采集人工输入的数据,对设备进行各种操作也都需要一种可靠的人机接口。键盘是最常用的方案。由于薄膜键盘可以根据使用要求定制,应用在手持式设备上也较为方便,所以设计了外接的薄膜键盘作为人机接口。

图5-7薄膜键盘图

由于STM32系列处理器的I/O口可以内部设置为推挽输出以及内部上拉等各种输入输出模式,所以只需引出相应的I/O口即可。键盘采用4*5的20个键的矩阵键盘以及一个按键共21个键,4*5矩阵使用9条信号线,按键使用1条信号线和地线。

所以共引出11条线,其中10条由I/O直接引出。数据线采用推挽输出,内部的上拉输入。按键与电源管理芯片AXP173的幵关控制引脚相连,在正常状态下该按键可以同其它按键一样正常使用,只有长按时才关机。

5.3.8WIFI接口电路

WIFI技术在OSI网络七层模型中包括物理层(PHY)以及数据链路层的介质访问控制子层(MAC)]21[。IEEE802.11系列标准协议栈规定的也是这两个部分的内容。MAC层和物理层需要软硬件结合才能实现。一些WIFI芯片将WIFI的介质访问控制层与物理层以及相关的数据处理接口集成在一个芯片内，主处理器可以通过数据线与WIFI芯片进行交互，数据链路层以上的部分都由主处理器通过软件来实现。如图5-8所示。

图5-8数据处理过程

WIFI技术的应用常有两种方案。一种是直接把WIFI芯片集成到整个电路板上，利用处理器直接驱动芯片。这种做法集成度高，但是对系统资源的占用比较多。另一种则是做成封装的WIFI芯片，配有专用的处理器处理无线数据。处理器通过数据接口与WIFI模块通讯，减轻负担。常用的WIFI模块接口模式有USB，UART，SPI，SDIO等。其中USB接口通常用于操作系统环境下的实现，系统需要能够支持USB驱动。UART接口通常用在无操作系统或单片机的应用环境下，对处理器以及系统的要求都比较低]22[.

生产数据采集管理终端电路中采用深圳海凌科公司生产的UART接口的WIFI模块HLK03。支持IEEE802.11协议栈，采用3.3V供电，支持WIFI网络的各种服务，支持包括WPA2在内的多种加密方式，具备良好的安全性，支持透明传输以及使用命令发送数据。8引脚的双列直插式的接口电路以及模块图如下所示。该模块功耗较大，传输数据时峰值300mA。当终端不需要使用WIFI 模块时，为节省功耗，电源管理芯片会关掉该模块的电源输入。WIFI模块及接口电路如图5-9所示。

图5-9WIFI模块及接口电路

5.3.9以太网接口电路设计

以太网技术在网络互连OSI七层模型中位于数据链路层和物理层这两层的范畴。以太网的应用在硬件上的实现要靠专用的以太网芯片来实现，典型的是PC机上的NIC(以太网网络适配器)。NIC包含了数据链路层和物理层的实现，每块NIC内部ROM存储了独一无二的MAC地址用于以太网的通信过程。PC发送的数据经过NIC封装成以太网中贞并发送出去，然后将接收的数据顿校验后交给处理器。在嵌入式设备上的实现类似这个过程，如Microchip公司的ENC28J60称为的以太网控制器，内含了数据链路层与物理层的实现。处理器通过SPI总线接口与其进行通信，通过TCP/IP协议找的支持就可以完成以太网通信过程。经过此种方式联网要在系统中做好以太网控制器的驱动程序]23[。

STM32F107作为互联型处理器，内部集成了MAC控制器支持IEEE802.3以太网协议。所以实现网络连接变得简单了，通过芯片上兼容IEEE802.3标准的Mil接口或者RMII接口，外接高速以太网PHY。这类PHY芯片即所谓的“软网卡”，Mil接口是IEEE规定的介质接口，用于MAC芯片与PHY芯片之间的连接。MAC控制器通过MDIO接口线来对PHY进行控制，PHY内部的相关寄存器也已经由IEEE定义好了，所以不同的PHY与MAC之间都可以协调工作。RMII接口是由Mil接口精简而来，Mil接口共需要16根线，RMII接口则精简了一半，只需8根线。由于RMII接口数据线只有两条，所以实现100Mbps 的速率时钟要达到50MHz。采用Mil接口数据线有4条，位宽是4位，所以实现100Mbps的速率所需要的晶振为25MHz。10Mbps的速率时，时钟则下降为2.5MHz，能够实现10M/100M速率之间的兼容。

图5-10以太网硬件结构图

5.3.10EEPROM电路设计

EEPROM是指电可擦除可编程只读存储器，属于ROM的一种，数据掉电后不易丢失。生产数据采集管理终端用于数据的传输，当由于网络出现问题数据传输失败时，可以将未传输成功的数据保存在EEPROM中。并且关于程序中相关

的参数，也可以保存在EEPROM中，这样设备掉电后相关的参数设置就不会改变。

STM32F107芯片内部的FLASH也是可以编程的，但是性能有限。片内FLASH在线编程期间程序会停止运行，同时STM32的FLASH寿命也有限，只有10K次的典型值。片内FLASH适合不经常修改的设置参数，但不适合存储经常使用的数据。所以将数据存入EEPROM是合适的，其寿命至少在10W次以上，擦写速度较快，不会影响程序的运行，数据存储安全可靠。

图5-11EEPROM接口电路图

EEPROM采用了意法半导体公司的M24C02芯片，存储容量2Kbit，采用IIC接口，支持l00KHz标准模式以及高速模式400KHZ。一百万次的擦写次数，数据能够保存40年。供电电压为1.8V到5.5V宽电压范围]24[，可以满足使用要求。接口电路如图5-11所示。当通过IIC总线读写EEPROM时，其地址根据图中的E0，E1，E2确定。高四位是1010已经由芯片内部固化了，低四位由E0，E1，E2以及读写来决定。依图中所示E0，E1，E2已经接地，所以读的地址就是0xA0，写地址就是0xA1。

5.3.11蜂鸣器电路

采集终端中蜂鸣器主要用于在检测到卡片或有操作卡片行为时激活时发出报警指示音,或者在各项操作成功/失败及其它特定状态时鸣响,如图5-12所示。

图5-12蜂鸣器驱动电路图

5.3.12JTAG调试电路

JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议，主要用于处理器内部测试]25[。很多芯片都支持JTAG协议，如ARM处理器、DSP数字信号处理器、FPGA逻辑器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线]26[。

图5-13调试方式选择

图5-14调试接口电路图

在常用开发环境如MDK或者IAR中，对调试的方式和使用的调试工具进行设置，然后通过JTAG接口就可以进行程序的下载与在线调试。常用的ARM 调试工具有：(1)USB接口的JLINK仿真器。由德国SEGGER公司开发，支持ARM内核芯片并可以配合多种集成开发环境使用。JLINK使用方便,支持芯片较多，应用最为广泛。

(2)并口JTAG调试器。电路简单,仅仅需要一片74hc244(八同相三态缓冲器/线驱动器)以及外围器件若干，配合国内的H-JTAG软件使用。能够支持大多数的主流芯片，适用于支持并口的场合。

(3)ST-LINKER,，ST公司为STM系列的处理器开发的调试工具。使用与JLINK类似，并且ST-LINKER可以实现对SWD调试方式的支持。SWD方式是ARM公司开发的新调试方式可以实现单线下载程序，只有时钟与数据两条线，使用简捷。

5.4本章小结

根据生产数据采集管理终端的功能分析，确定了硬件电路的总体结构。对硬件电路主要组成部分进行了设计，对电源管理电路、通讯接口电路、网络接口电路以及人机界面等电路的设计进行了详细的分析和介绍。通过对硬件电路的设计，为生产数据采集管理终端的功能实现奠定了基础。

6生产数据采集终端软件设计

生产数据采集终端软件设计包括生产数据采集终端程序设计即下位机MCGSTPC程序设计以及数据采集系统上位机的设计。生产数据采集终端程序运行在生产数据采集终端上，接受上位机发来的控制信息，完成对终端采集各种生产数据的任务，配置生产数据采集终端的各种参数，控制生产数据采集终端的运行。上位机则运行在服务器端的计算机上，执行数据存储、数据分析，并发送生产任务等信息到终端上。

6.1窗口菜单设计

菜单程序是生产数据采集终端人机界面的重要组成部分。根据生产数据采集终端的使用要求，完成菜单界面的结构设计，以及具体内容的编程设计。终端设计界面主要由三部分组成：

系统默认组界面：显示日期、时间、设备号、充电状态。

手动输入数据界面：对应键盘上的生产、数据、设备三个专用输入界面。

收信息提示界面：在收到信息时，提示操作者及时查看界面。

6.1.1菜单项设计

考虑到生产数据的保密性，设计过程中添加进安全机制用户权限管理。不同用户组的权限不同，可操作的组态环境也有所区别，并把用户登录作为启动窗口来检测用户，确保正确的员工编号才能登录。如图6-1所示。

图6-1用户窗口陈列

6.1.2生产计划界面设计

根据系统要实现的功能，在窗口中，完成对员工生产计划的显示功能。

通过程序可以调用预存数据库中对应员工的姓名、所需生产零件的信息。如图6-2所示。

图6-2生产计划窗口

图右侧有五个按钮，通过设置其操作属性，执行打开窗口命令，则在组态运行过程中，分别点击即可打开对应的窗口。也可以在脚本程序栏中通过脚本程序来进行控制，同样的还可以通过调用运行策略来完成功能。如图6-3所示。

图6-3按钮构件属性设置

6.1.3生产管理界面设计

此窗口中要求在正确输入员工编号、设备编号、工序编号、零件编号后，才能进行工作量的统计。点击开始工作，记录下开始时间，此时计数按钮显示，可进行操作。通过点击对累计完成量进行统计。点击结束，系统记录下结束时间，并计算出两时间之间间隔。如图6-4所示。

图6-4生产管理窗口6.1.4设备管理界面设计

对运行设备进行检查时，输入操作者编号、设备编号，点击【启动管理】，

进入管理设备信息状态。如图6-5所示。

图6-5设备管理窗口

输入工序、零件、刀具编号之后，点击【故障检测】进入检测环节，可通过下拉框选择故障原因，并在右侧空白框中显示出来。点击【停止管理】，系统记

录时间，最终通过【数据上传】把数据生成CSV文件存盘。

6.1.5质量管理界面设计

输入质检人、员工、零件编号后，点击【开始检测】，进入产品质量检测环节。如图6-6所示。

图6-6质量管理窗口

产品数据支持人工采集，可以通过点击【合格数+1】和【不合格数+1】来完成。也可以通过外部设备来采集数据。设置好数据通讯设备、通道等，即可完成数据采集。检测结束后数据自动存盘。如图6-7所示。

图6-7外部设备数据采集

6.1.6通讯设置界面设计

终端触摸屏与上位机之间需要进行数据传输。使用串口RS232连接，这就波及到波特率、数据位等的设置问题。程序启动时会初始化串口为波特率9600，数据位8位，无校验位，停止位为0。程序初始化如下：

!SetSerialbaud(1,9600)设置波特率为9600

!SetSerialDataBit(1,8)设置数据位为8位

!SetSerialStopBit(1,0)设置停止位

!SetSerialParityBit(1,0)设置校验位

为了使用不同的使用情况，故在此窗口上可进行各参数的修改。在输入框中输入通讯时所需的参数，如果参数配合正确，右侧状态显示栏则会显示正常。提示函数如下：

!SetSerialDataBit(Com.DataBit)设置数据位函数，返回调用状况为了检测串口之间的通讯是否正常，还设置了字符串接收和发射功能，配合串口调试工具即可验证触摸屏与上位机之间的数据传输情况。如图6-8所示。

图6-8通讯设置窗口

6.2键盘采集程序设计

生产数据采集终端主动采集传输的数据包括从键盘采集的手动输入数据以及由串口接收到的数据。其他的数据则由上位机软件发出命令后才进行采集。键盘采集程序的设计由在键盘设计中的功能键以及生产数据采集界面来实现。

通过键盘发送生产数据的流程是依次输入生产数据的各个部分，如零件、员工编号等。然后程序会将设备号加载到数据之前并计算校验值组装成帧，通过串口发送。如果发送不成功会重新建立连接并尝试重新发送，如仍发送失败则会报告发送失败结束。

6.3设备窗口组态设计

设备窗口是MCGS系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接。生产数据利用外部硬件设备采集，然后通过建立数据通道，把数据提供给实时数据库。上位机也可以发送命令至指定的数据库变量，实时数据库经过程序处理，得到指令信息。外部设备通过算法把控制信号转化为实际操作，完成实时生产检测控制与监督调度，实现工业车间内的自动控制。

考虑到程序在真正实时生产操作时，需要接外部硬件，故在此预先设置好设备窗口。预置串口和TCP/IP协议。并可以通过设置窗口进行基本属性如串口号、波特率、数据位等设置。如图6-9所示。

图6-9设备窗口的设备属性设置

6.4实时数据库设计

MCGS系统中，数据以数据对象的形式来进行操作和处理。数据对象不仅包含了数据变量的数值特征，还将与数据相关的其他属性（数据状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。

实时数据库是MCGS工业组态软件系统的核心，它被当做一个整体被封装起来，并提供了众多的属性和方法，用户可通过外部程序来进行操作。数据对象有开关型、字符型、数值型、事件型、系统内部数据对象、组对象等。程序中部分数据变量如图6-10以及6-11所示。

图6-10实时数据库函数变量1图6-11实时数据库函数变量2 6.5运行策略组态设计

运行策略，是用户为实现对系统运行流程控制所组态生成的一系列功能的总称。不同的运行策略，其功能也不同。本系统中也有多个不同的运行策略。启动策略和退出策略，设定了系统进入退出时的状态。循环策略则是用来设定循环时间。运行策略通过策略块执行程序，一条策略中可以并联多个策略块，即在满足一个条件下执行多条程序。策略可以再系统启动时执行，也可以通过函数调用，

还可以贯穿整个运行过程。如图6-12则是本程序中需要用到的运行策略。如“串口接收数据”作为循环策略，每100ms就执行一次，检测是否又字符串通过串口传输过来。函数示例：

ReceiveStr=!ReadSerilStr(Com)从串口读数据

用户策略如“发送命令策略”和“生产计划查询”一般都是窗口中的某些构件来进行调用。函数示例：

发送一串字符串

!WriteSerialStr(Com,!StrFormat(“%s%s%s”,SendStr,!I2Ascii(13),

!I2Ascii(10)))!beep()蜂鸣器响

图6-12运行策略

6.6程序结构及主程序设计

组态软件在运行过程中离不开程序的支持，下面将针对该系统的部分关键程

序做个介绍。

6.6.1用户登录检测程序

选取用户登录检测中一个小循环来进行程序阐述。源程序为if——then的多级循环嵌套。检测流程如图6-13所示。通过与预存数据库中用户名和密码对比，

来判断是否正确，从而再进行下一步操作。检测部分代码如下：

IF!strComp(InputUser1,"S1000006")<>0THEN

用户登录.控件3.Text="请输入正确的用户名"

ELSE

IF!Val(登录密码)=!lVal(用户原始密码)THEN

!SetWindow(主界面,1)打开主界面窗口

!SetWindow(用户登录,3)关闭用户登录窗口

ELSE

用户登录.控件3.Text="请输入正确的密码"给输入框文本属性赋值

ENDIFENDIF

图6-13用户登录检测流程图

6.6.2用户密码修改程序

利用循环语句检测用户名是否正确，密码是否符合，满足之后才可以修改新

密码。循环检测的部分程序代码如下所示：

!FlushDataInitValueToDisk()刷新数据到磁盘上

!SaveSingleDataInit(用户原始密码)把数据当前值设为初始值

IF!strComp(InputUser2,"S1000001")<>0THEN循环检测用户名是否存在

IF!strComp(InputUser2,"S1000002")<>0THEN

用户登录.控件11.Text="请输入正确的用户名"

ELSE

IF!Val(原密码)=!lVal(用户原始密码)THEN判断密码是否正确

用户原始密码=新密码修改用户原始密码为新密码

!SaveData(用户原始密码)保存密码

ELSE

用户登录.控件11.Text="请输入正确的密码"

ENDIF

ENDIF

ELSE

IF!Val(原密码)=!lVal(用户原始密码)THEN

用户原始密码=新密码

!SaveData(用户原始密码)

ELSE

用户登录.控件11.Text="请输入正确的密码"

ENDIFENDIF

6.6.3生产计划查询程序

用户进行生产计划查询时，调用下方程序。验证过员工编号后，从数据库下载各数据对象的值。工作流程如下图6-14所示。

逻辑循环检测判断部分代码如下：

IF!len(员工编号)=8THEN检测输入的编号是否为8位

IF!strComp(!left(员工编号,1),"S")=0THEN检测编号首字母是否为S

ELSE

生产计划.控件6.Text="请输入首字母为S的8位员工编号！"

ENDIF

ELSE

生产计划.控件6.Text="请输入首字母为S的8位员工编号！"

ENDIF

IF!strComp(!mid(员工编号,7,2),"01")=0THEN检测员工编号是否存在员工姓名="张三"

零件编号="M4000001"

零件名称="螺母"

加工数量=400下为工作计划中的开始、完成时间的函数。通过函数获取当前时间的年、月、日，再加上计划启动时间和计划

完成时间

生产计划开始时间=!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%y")+"年"

+!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%m")+"月

"+!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%d")+"日

"+"08:00"

生产计划完成时间=!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%y")+"年"

+!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%m")+"月

"+!TimeI2Str(!TimeGetCurrentTime(),"%d")+"日"

+"18:00"

IF!lVal(!mid(员工编号,7,2))>6THEN不在数据库内的编号将提示重新输入

生产计划.控件6.Text="请输入正确的员工编号！"

EXIT

ENDIF

图6-14生产计划查询流程

6.6.4故障原因程序

为了方便用户在对设备检修时填写设备故障，我们通过下拉框和程序内置了

常见的一些设备故障。通过选择即可把故障原因输入到显示框中（支持选择错误后删除），如果出现一些非常见故障，可以通过选择“其他原因”来进行手动输

入原因。程序如下所示：

IF!strComp(故障状态,"原因一")=0THEN字符串比对

故障原因=故障原因+"伺服系统故障；"符合条件者进行赋值

ENDIF

IF!strComp(故障状态,"原因二")=0THEN

故障原因=故障原因+"X轴漂移补偿过大；"

ENDIF

IF!strComp(故障状态,"原因三")=0THEN

故障原因=故障原因+"温度过高超过警戒值；"

ENDIF

IF!strComp(故障状态,"其他原因")=0THEN

故障原因=故障原因+"请手动输入故障原因；"

6.6.5串口参数设置程序

微机内一般都配有通信适配器，使计算机能够通过RS-232串口与计算机或设备进行通信，数据通过串口一次只传送1个字节，而且数据和控制信号都在单根导线上移动，故需要应用通信协议。常用的通信协议如下：1个起始位，1个或2个停止位，奇偶校验位，7个或8个数据位，传输速度（单位为波特率或bit/s）。

为了使TPC触摸屏与上位机之间可以进行数据传输，需要对串口参数进行设置。

部分代码如下：

Com.SaveDataInitValue()保存串口参数

BaudRate.SaveDataInitValue()

DataBit.SaveDataInitValue()

StopBit.SaveDataInitValue()

ParityBit.SaveDataInitValue()

!FlushDataInitValueToDisk()刷新到磁盘上

CommError1=!SetSerialBaud(Com,BaudRate)设定波特率

IF CommError1<>0THEN

EXIT

ENDIF

CommError2=!SetSerialDataBit(Com,DataBit)设定数据位

IF CommError2<>0THEN

EXIT

ENDIF

CommError3=!SetSerialStopBit(Com,StopBit)设定停止位

IF CommError3<>0THEN

EXIT

ENDIF

CommError4=!SetSerialParityBit(Com,ParityBit)设定校验位

IF CommError4<>0THEN

EXIT

ENDIF

6.6.6接发数据程序

（1）利用一个循环策略，每100ms执行一次，检测串口参数是否正确和串口端是否接收到字符串。若参数设置不对则会在窗口的状态显示条上反映出来。若串口接收到字符串，则会把字符串赋值给预先设定好的数据对象，留作使用。程序代码如下：

串口未正确打开则退出

IF CommError1<>0OR CommError2<>0OR

CommError3<>0OR CommError4<>0THEN

EXIT

ENDIF

串口中无可读数据则退出

IF!GetSerialReadBufferSize(Com)<=0THEN检查串口缓冲区有多少字符

EXIT

ENDIF

从串口读数据

ReceiveStr=!ReadSerialStr(Com)（2）通过按钮调用发送数据策略一次。利用!WriteSerialStr()函数向串口写数据。为保证可输入量包括数字、字母等，利用!StrFormat()函数来格式化任意多个数值为字符型格式。其中“%s”用来限定输出为字符串，!I2Asccii(10)返回指定的ASCII字符为line feed,即换行，!I2Ascii(13)返回制定的ASCII字符为carriage return，即回车。发送字符串程序代码如下：

发送一串字符串

SendError=!WriteSerialStr(Com,!StrFormat(“%s%s%s”,SendStr,!I2Ascii(13),!I2Asci i(10))))向指定串口写一个字符串

IF SendError<>0THEN状态显示判断指令

EXIT

ENDIF

!beep()调用蜂鸣器

6.6.7用户窗口循环检测程序

对于用户窗口的循环检测，是整个系统的运行基础，设计到编号的问题都是通过这种循环机制。用户窗口打开，循环开始。通过输入框得到输入的变量的值，再与数据库中已有量进行比较，存在则进行下一步操作，不存在则返回上一步继续执行。为方便讲述，此章节只选择部分循环来进行说明。通过比对函数!strComp()来判断输入是否正确，正确则跳出循环，错误则进行下一级的循环。循环机理如图所示。

程序部分代码如下所示：

IF!strComp(员工编号,"S1000001")<>0THEN

IF!strComp(员工编号,"S1000002")<>0THEN

IF!strComp(员工编号,"S1000003")<>0THEN

设备管理.控件3.Text="请输入正确的员工编号！"

ELSE

EXIT比对正确则退出

ENDIF

ELSE

EXIT比对正确则退出

ENDIF

ELSE

EXIT比对正确则退出

ENDIF

图6-15用户循环检测流程

6.6.8存盘机制

因程序运行在TPC触摸屏终端上，运行过程中难免会遇到意外退出或断电

等情况。对此通过函数设计了存盘机制。

!FlushDataInitValueToDisk()把所有对象的初始值写入磁盘

!SaveData(生产管理组)把组对象数据对应的当前值存入存盘数据库

!SaveSingleDataInit(完成所需时间)把数据对象当前值设为初始值

!TransToUSB("设备管理组

6.7本章小结

本章节系统的介绍了利用MCGS嵌入版组态环境，开发生产数据采集终端软件的过程。对软件需要满足的功能做了分析，并根据功能对软件的主要工作流程进行了设计，并根据流程设计出个窗口菜单。软件设计部分主要涵盖界面设计、数据库设计、设备设计、运行程序设计、运行策略设计，其中以界面设计和程序设计为主体。通过一些主要程序的流程图和一些窗口菜单的图片来使表达更直观、更清楚。软件运行在TPC触摸屏终端上，并通过外接硬件设备，可以较好地完成生产数据采集要求。

7研究总结及展望

7.1研究总结

在整个研究过程中，我们首先从技术背景到产业需求分析，接下来针对该需

求进行软件及硬件设计。理论上该套方案可以达到对于需求的设计目的，由于时间及技术水平未能将该设计付诸于实践，希望在后续的时间里有机会将其制作成实物。

当今的技术背景下，离散制造业各类设备通信选择并不一致（串口、并口、网络接口线，电话线等），虽然在设计时是基于需求的最佳方案，但是若进入物联网社会，如此多种类的接口必定要统一起来，虽然我们没有对该产品进行设计，

但我们认为这是所有基础的前提。

7.2前景展望

未来是一个大数据时代，如何走在时代的最前端是值得我们思考的问题。我们认为若要实现制造业强国梦想，制造业数据采集的实时性、准确性是重中之重。物联网的发展方向正是为了这一目的，所以说大力发展物联网基础可以直接或间接的使制造业水平达到跨越式的发展。

8致谢

在最后我们首先特别感谢老师这一年多以来的悉心指导，从框架到模块，让我们认清了许多原来知识上的误区，完成了设计任务。还要感谢学校提供科研训练的机会，让我们将学到的知识变成了真正的技术。

参考文献

[1]袁军堂,胡小秋等.机械制造技术基础.清华大学出版社,2013.

[2]黄玉兰,物联网概论.人民邮电出版社,2011.

[3]王志新,金寿松.制造执行系统MES及应用.中国电力出版社,2006.

[4]刘树森.现代制造企业信息化.科学出版社,2005.

[5]王万雷.制造执行系统(MES)若干关键技术研究[D].学位论文,2005.

[6]刘建胜,张华.离散型制造业MES若干关键技术及其应用研究.学位论文,2008.

[7]张芬,杜朋,杨亚飞.离散制造业MES中的生产数据采集实践机械设计与制

造,2011,(3):245-246.

[8]王琳,商周,王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表,2004,41(8):4-8.

[9]杜朋.离散制造企业MES中的生产数据采集实践.机械设计与制造,2011,3(3)

[10]史元春等.普适计算.计算机学报,2003-9-26.

[11]胡云.对云计算技术应用的研究.电脑开发与应用,24-3.

[12]马洪连.物联网感知与控制技术,清华大学出版社,2012.

[13]薛燕红.物联网技术及应用.清华大学出版,2012.

[14]施荣华,杨政宇.物联网安全技术.电子工业出版社,2013.

[15]昆仑通态.昆仑通态TPC7062KS/K、TPC1062KS/K用户手册.2011.

[16]杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术.机械工业出版社,2004.

[17]Klaus Finkenzeller.射频识别技术.电子工业出版社,2006.

[18]Yiu J,宋岩.ARM Cortex-M3权威指南.北京航空航天大学出版社,2009.

[19]STM32F10xxx参考手册V10.0,2010.

[20]ST公司.STM32F10xxx参考手册[M],2010.

[21]姚文武,辛伟.浅析MES系统(二级控制系统)的运用.设计技术,2008.

[22]李昭智.数据通信与计算机网络[M].电子工业出版社,2002.

[23]Sergio Scaglia.嵌入式Internet Tcp/Ip基础实现及应用.北京航空航天大学出版社,2008.

[24]M24C02芯片使用手册.

[25]王杰.基基于ARM的恒温供水装置控制系统研究与实现.学位论文,2009.

[26]STM32F10xxx参考手册V10.0,2010.