離散生產(chǎn)線是指由離散工藝過程組成的生產(chǎn)線。它所生產(chǎn)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上由零部件組成，生產(chǎn)過程中的主要任務(wù)就是將原材料加工成零件，再由零件組裝成部件，最后總裝成產(chǎn)品。為了提高離散生產(chǎn)線的生產(chǎn)和管理水平，對生產(chǎn)線上的重要參數(shù)和加工設(shè)備本身的運(yùn)行狀況等進(jìn)行監(jiān)控十分重要。目前，主要采用人工實(shí)時(shí)監(jiān)視。即由人記錄生產(chǎn)線上每臺設(shè)備運(yùn)行狀況，由人工抽樣檢查產(chǎn)品質(zhì)量；然后以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)，對設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)。但這種方式觀測精度低、工作強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)的維護(hù)和分析困難，遠(yuǎn)不能滿足目前市場激烈競爭的需要。為此，直接利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，形成全球化制造的企業(yè)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用了瀏覽器/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)是這一系統(tǒng)的起點(diǎn)，主要完成對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和對監(jiān)測信息的采集、存儲和處理。監(jiān)測信息經(jīng)過處理后可進(jìn)行遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心對異地傳輸?shù)谋O(jiān)測信息進(jìn)行處理、分析，綜合各專家意見，得出結(jié)果并給出對策，通過網(wǎng)絡(luò)反饋至現(xiàn)場進(jìn)行控制。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中，利用企業(yè)級的交換機(jī)將各個(gè)生產(chǎn)車間的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)子網(wǎng)連接起來，然后通過路由器連接到Internet，保證了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性。

現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和PC機(jī)。主要對加工設(shè)備進(jìn)行各種信號的采集、變換、顯示和與網(wǎng)絡(luò)連接等功能。現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的信號分析和處理能力，而且可以擴(kuò)充傳感器測量單元，對加工設(shè)備進(jìn)行多個(gè)傳感器的多點(diǎn)、多信號采集和分析。其中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集單片機(jī)分機(jī)、主機(jī)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、PC接口。結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。采用點(diǎn)對多點(diǎn)的無線雙工工作方式。即當(dāng)主機(jī)發(fā)出指定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的命令后，主機(jī)即轉(zhuǎn)換接收狀態(tài)；指定點(diǎn)的分機(jī)接收到命令后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果和分機(jī)的編號上傳給主機(jī)。

2 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)的電路原理圖

在電路設(shè)計(jì)過程中，為了增加存儲容量，增設(shè)了一個(gè)TMS29F040芯片。該芯片提供了8個(gè)獨(dú)立的64KB模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)的微控制器將JEDEC標(biāo)準(zhǔn)命令寫入FLASH命令寄存器5555H和2AAAH，地址空間為000000H~07FFFFH。為了使人機(jī)接口方便直觀，電路中采用點(diǎn)陣圖形方式的LCD。該LCD內(nèi)置了T6963C控制器，可以與單片機(jī)方便接口。C/D是指令/數(shù)據(jù)選擇控制，指令訪問地址為0A00001H，數(shù)據(jù)訪問地址為0A00000H。另外，通過PS2000實(shí)現(xiàn)MCU應(yīng)用系統(tǒng)與基于PC機(jī)平臺的網(wǎng)關(guān)emGateway接口。同時(shí)，為便于主機(jī)與分機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的信息傳輸，系統(tǒng)采用了硬件編碼的方式，使用UM3758編碼器。每個(gè)分機(jī)給定固定編碼，主機(jī)發(fā)射一個(gè)碼值，對應(yīng)碼值的分機(jī)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。系統(tǒng)采用了無線發(fā)射與接收模塊Nrf401，實(shí)現(xiàn)無線信息傳輸。主機(jī)的電路原理圖如圖3所示。

2.2 分機(jī)電路原理圖

為了采集現(xiàn)場信號，利用前向通道對其微弱信號調(diào)理（包括阻抗匹配、濾波、直流隔離、放大等功能）。該部件采用了2片AD620和1片TLC14集成電路，分別實(shí)現(xiàn)信號放大和濾波功能。然后，由AdμC812芯片的ALE腳進(jìn)入系統(tǒng)。為了與主機(jī)進(jìn)行信號通信，在分機(jī)中同樣也采用了硬件編碼方式。利用UM3758編碼器，每個(gè)分機(jī)給定固定編碼，主機(jī)發(fā)射一個(gè)碼值，對應(yīng)碼值的分機(jī)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。同樣，系統(tǒng)采用了無線發(fā)射與接收模塊nRF401，實(shí)現(xiàn)了與主機(jī)無線信息傳輸，分機(jī)的電路原理圖如圖4所示。

3 采集系統(tǒng)中主機(jī)與從機(jī)信息傳輸軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，主機(jī)可以隨時(shí)呼叫任一分機(jī)，發(fā)送命令；分機(jī)也可以隨時(shí)呼叫主機(jī)，向主機(jī)提出請求。分機(jī)之間不能直接通信，只能通過主機(jī)交換信息。主機(jī)呼叫分機(jī)時(shí)采用中斷方式，只需調(diào)用主呼分機(jī)的子程序？分機(jī)程序以中斷服務(wù)形式給出，其入口地址為串行口中斷入口地址0023H。這樣，當(dāng)分機(jī)接收到的地址與本機(jī)地址符合時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，從而實(shí)現(xiàn)與主機(jī)相連。分機(jī)呼叫主機(jī)時(shí)，只需向主機(jī)發(fā)送一約定的控制字，主機(jī)得到此控制字即回呼該分機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)與該分機(jī)連接。

3.1 主機(jī)發(fā)送分機(jī)接收通信方式

圖5（a）、（b）分別為主機(jī)發(fā)送、分機(jī)接收時(shí)主機(jī)與分機(jī)軟件流程圖。主機(jī)作為發(fā)送者，向作為接收者的分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種模式下，數(shù)據(jù)傳送方向不變，即主機(jī)先發(fā)送地址繼而發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，主機(jī)軟件：（1）當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器設(shè)置完成后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)START位和分機(jī)地址到SDATA線上。在這個(gè)模式下R/W狀態(tài)位被復(fù)位。如果主機(jī)沒有收到分機(jī)的確認(rèn)，就發(fā)送一個(gè)STOP位，錯(cuò)誤位被置位而傳送中止。（2）如果從機(jī)進(jìn)行了確認(rèn)，主機(jī)將發(fā)送預(yù)先寫在主機(jī)外部數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)。每傳送一字節(jié)，分機(jī)都必須發(fā)出確認(rèn)。收到確認(rèn)后，主機(jī)將發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。任何時(shí)候如果分機(jī)沒能確認(rèn)，主機(jī)就發(fā)送一個(gè)STOP位，錯(cuò)誤位被置位而傳送中止。（3）當(dāng)發(fā)送計(jì)數(shù)BYTECNT=0時(shí)，就意味著最后一個(gè)要傳送的字節(jié)已被送出，主機(jī)將發(fā)送一個(gè)STOP位表示傳送結(jié)束。分機(jī)軟件：（1）當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后，并且主機(jī)也發(fā)送了一個(gè)START位，分機(jī)等待著接收第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)（數(shù)據(jù)到達(dá)后將產(chǎn)生一個(gè)中斷）。一旦收到后，分機(jī)將該數(shù)據(jù)與自己的地址相比較；若匹配，分機(jī)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)到SDATA線上，并將R/W狀態(tài)位置位后等待數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)到達(dá)將產(chǎn)生一個(gè)中斷）。（2）當(dāng)主機(jī)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，分機(jī)將它存入自己的內(nèi)部存儲器，發(fā)送確認(rèn)后，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)（后續(xù)數(shù)據(jù)的到達(dá)將產(chǎn)生一個(gè)中斷）。（3）當(dāng)分機(jī)收到最后一個(gè)字節(jié)，接收字節(jié)計(jì)數(shù)BYTECNT=0，此時(shí)，分機(jī)等待STOP位。一旦收到STOP，立即結(jié)束通信。

3.2 分機(jī)發(fā)送、主機(jī)接收通信方式

圖6（a）、（b）分別為分機(jī)發(fā)送、主機(jī)接收時(shí)主機(jī)與分機(jī)軟件流程圖。主機(jī)發(fā)送第一個(gè)字節(jié)后立即讀分機(jī)數(shù)據(jù)，即主機(jī)先發(fā)送地址后接收后面的三個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。其中，主機(jī)軟件：（1）當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)START位，然后發(fā)送分機(jī)地址到SDATA線上。在這個(gè)模式下R/W狀態(tài)位被復(fù)位。如果主機(jī)沒有收到分機(jī)的確認(rèn)，就發(fā)送一個(gè)STOP位，錯(cuò)誤位被置位而傳送中止。（2）如果從機(jī)進(jìn)行了確認(rèn)，主機(jī)等待第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。一旦收到后，主機(jī)將它存入自己的內(nèi)部存儲器，向分機(jī)發(fā)出確認(rèn)后，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。（3）當(dāng)發(fā)送計(jì)數(shù)BYTECNT=0時(shí)，就意味著最后一個(gè)要傳送的字節(jié)已被接收，主機(jī)將發(fā)送一個(gè)STOP位表示傳送結(jié)束。分機(jī)軟件：（1）當(dāng)I2C接口的特殊功能寄存器被設(shè)置好后，主機(jī)也發(fā)送一個(gè)START位，分機(jī)等待著接收第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)（數(shù)據(jù)到達(dá)后將產(chǎn)生一個(gè)中斷）。一旦收到后，分機(jī)將該數(shù)據(jù)與自己的地址相比較。若匹配，分機(jī)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)到SDATA線上。（2）當(dāng)R/W狀態(tài)位置位，分機(jī)發(fā)送一個(gè)要傳送的字節(jié)。發(fā)出數(shù)據(jù)后，分機(jī)等待主機(jī)的確認(rèn)。每當(dāng)收到主機(jī)的確認(rèn)，分機(jī)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)然后再等待確認(rèn)。（3）當(dāng)發(fā)送字節(jié)計(jì)數(shù)BYTECNT=0，主機(jī)發(fā)送一個(gè)STOP位而不是確認(rèn)，同時(shí)結(jié)束傳送。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上面建立的無線點(diǎn)對多點(diǎn)的遠(yuǎn)程在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對重慶世耀工貿(mào)有限公司摩托車生產(chǎn)廠的精密車床進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，點(diǎn)擊桌面上無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即可啟動(dòng)程序。然后，點(diǎn)擊端口設(shè)置按扭，彈出端口設(shè)置對話框，選擇與PC主機(jī)無線傳收模塊相連接的RS232串口、波特率、工作距離、測量參數(shù)、存儲器的大小等參數(shù)后，點(diǎn)擊確定，回到主界面。點(diǎn)擊打開模塊按扭，若系統(tǒng)工作正常，則顯示模塊正在工作；若系統(tǒng)工作不正常，則顯示系統(tǒng)未工作；在系統(tǒng)正常工作情況下，點(diǎn)擊握手設(shè)置按鈕，設(shè)置與主機(jī)通信的分機(jī)臺號、采集頻率與通道數(shù)等（每設(shè)置完一臺分機(jī)參數(shù)后，就點(diǎn)擊握手）；在各臺分機(jī)與主機(jī)之間握手成功后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，程序發(fā)送啟動(dòng)命令，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在無線傳輸完后，系統(tǒng)將自動(dòng)保存數(shù)據(jù)文件。可通過點(diǎn)擊打開顯示按鈕，將已保存的數(shù)據(jù)按圖形方式顯示于圖形框中。圖7所示為某精密車床的振動(dòng)檢測的時(shí)域信號與系統(tǒng)操作界面圖。

隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化儀表的進(jìn)步，現(xiàn)代檢測技術(shù)越來越多地應(yīng)用于傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)中。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與信息傳輸，采集精度高，數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，克服了現(xiàn)場拉電纜線等缺點(diǎn)，便于野外作業(yè)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案簡便、有效，值得推廣應(yīng)用。

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