(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

木材干燥是木材加工業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一[1]，而木材干燥窯的溫度、濕度、平衡含水率等參數(shù)是影響木材干燥質(zhì)量的重要因素，如何以最小誤差完成對(duì)干燥參數(shù)的監(jiān)測(cè)和傳輸就成了木材干燥業(yè)的一大課題。木材干燥過(guò)程屬于長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的過(guò)程控制系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外的木材干燥窯大多屬于半自動(dòng)式干燥窯，需要大量的人力資源定時(shí)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成讀表、閥門(mén)控制等工作，不僅工作環(huán)境惡劣、作業(yè)量大、效率低，而且易出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄有誤、丟失等不必要的失誤。

針對(duì)木材干燥過(guò)程中出現(xiàn)的這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于GPRS技術(shù)的木材干燥窯數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了木材干燥窯參數(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸、在線(xiàn)記錄及實(shí)時(shí)顯示與遠(yuǎn)程控制等功能。該系統(tǒng)將控制平臺(tái)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)隔離，使木材干燥窯的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制成為可能，在減小工人工作量的同時(shí)，提高了監(jiān)測(cè)和控制精度，對(duì)木材干燥自動(dòng)控制的實(shí)施具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 GPRS簡(jiǎn)介

通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)(general packet radio service,GPRS)是基于TCP/IP協(xié)議的一種通信模塊，故只要上位機(jī)以任意方式接通互聯(lián)網(wǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。與以往連續(xù)在頻道上傳輸?shù)姆绞讲煌氖牵珿PRS模塊以數(shù)據(jù)包(packet)形式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料的流量為單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜[2]。另外，GPRS的傳輸速率可提升到56～114 kbit/s,理論峰值達(dá)171 kbit/s，在數(shù)據(jù)傳輸速度上有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

隨著GPRS 網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和各行業(yè)對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的大幅提升，基于GPRS模塊的應(yīng)用產(chǎn)品逐漸成為當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信的主流。

結(jié)合GPRS自身的特點(diǎn)、合理的組網(wǎng)方式以及可靠的傳輸機(jī)制，使GPRS通信技術(shù)迅速成為國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中解決監(jiān)控點(diǎn)涉及地域廣、設(shè)備布局分散等問(wèn)題的主流技術(shù)。華為集團(tuán)生產(chǎn)的GTM900-A/B 無(wú)線(xiàn)模塊是一款兩頻段GSM/GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能化木材干燥窯數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由GPRS模塊、主副CPU模塊、上位機(jī)、采集器和看門(mén)狗等部分組成。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 通信模塊

木材干燥窯通常1～2 h采集一組現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，屬于間斷的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，故使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，可避免繁重的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)讀表工作。GPRS技術(shù)在大大降低木材干燥系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)成本的同時(shí)，還有效提高了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性。

GPRS模塊與主CPU之間運(yùn)用串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]采集到的木材干燥窯的溫度、木材平衡含水率和木材含水率等數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS模塊，并打包上傳至指定的IP地址，由上位機(jī)通過(guò)檢測(cè)某一通信端口來(lái)接收數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)GPRS模塊硬件原理圖如圖2所示。

圖2 GPRS模塊硬件原理圖

主CPU通過(guò)控制I/O口的高低電平、改變輸入/輸出特性來(lái)操作GPRS模塊，如電源開(kāi)關(guān)(PowerOn)信號(hào)；清除發(fā)送(DTUCTS)信號(hào)；請(qǐng)求發(fā)送(DTURTS)信號(hào)；復(fù)位(Rep)信號(hào)等。另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了GPRS振鈴(LEDR、RING)信號(hào)，用于檢測(cè)系統(tǒng)是否工作正常。SIM卡電路只需按手冊(cè)連接至GTM_900即可。

2.2 控制器模塊

控制器模塊使用CYGNAL公司生產(chǎn)的C8051F206微控制器，其與MCS-51的指令集完全兼容?？刂破鲀?nèi)部集成有3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；硬件通用異步收發(fā)器(UART)和串行外圍設(shè)備接口(SPI)總線(xiàn)；256 B的內(nèi)部RAM，可選用的1 024 B的XRAM；128 B的通用寄存器地址空間；8 kB的Flash和512 B的扇區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)在線(xiàn)編程。

控制器模塊需由單片機(jī)完成接收數(shù)據(jù)采集器上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、GPRS模塊的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)打包/解包指令、向下位機(jī)[5]發(fā)送來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)、LED顯示以及送至SD卡儲(chǔ)存等諸多功能。顯然，運(yùn)用單一的控制器會(huì)出現(xiàn)資源緊張的情況，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性都會(huì)有所降低。

系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，其原理如圖3所示。

圖3 主副CPU硬件原理圖

主CPU在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)操作處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)通信及發(fā)送來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)等工作。如接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)通過(guò)串行口發(fā)送至GPRS模塊，通過(guò)發(fā)送AT指令的方式操作GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送；接收由GPRS模塊收到的上位機(jī)的控制信號(hào)；與下位機(jī)通信，完成對(duì)木材干燥窯的實(shí)時(shí)操作等工作。副CPU完成送顯及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等人機(jī)交互功能。

主副CPU之間采用串行外圍設(shè)備接口總線(xiàn)(serial peripheral interface,SPI)按位(bit)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SPI總線(xiàn)是一種高速的、全雙工的、同步的通信總線(xiàn)，理論傳輸峰值可達(dá)5 Mbit/s,既解決了串行口通信數(shù)據(jù)傳輸慢的問(wèn)題，又緩解了主CPU串口繁忙的問(wèn)題。

雙CPU系統(tǒng)盡可能合理分配CPU的資源，使得各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，這樣不僅有利于硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，也減少了軟件程序編寫(xiě)、調(diào)試和修改的工作量。另外，當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，也比較容易定位問(wèn)題所在。

2.3 數(shù)據(jù)顯示及儲(chǔ)存模塊

為了使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)了基于并行總線(xiàn)傳輸方式的LED12864液晶顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示木材干燥窯的溫度、木材平衡含水率、木材含水率等參數(shù)。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，為了能長(zhǎng)期有效地存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了基于SPI總線(xiàn)傳輸方式的外接SD模塊，作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，記錄所有來(lái)自干燥現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)。系統(tǒng)顯示及儲(chǔ)存模塊如圖4所示。

圖4 顯示及儲(chǔ)存模塊硬件原理圖

12864 FBC液晶模塊是128×64的點(diǎn)陣液晶顯示模塊。模塊內(nèi)部自帶兩個(gè)分別控制顯示屏左區(qū)和右區(qū)的液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器HD 61202U。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊帶有64×64顯示存儲(chǔ)器，其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)直接作為顯示內(nèi)容的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。模塊有20個(gè)外接引腳，大致分為數(shù)據(jù)引腳、控制引腳和電源引腳3種。模塊采用8位并行數(shù)據(jù)接口, 可與計(jì)算機(jī)直接相連接。

SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司于1999年8月共同開(kāi)發(fā)研制，雖然只有一張郵票大小，質(zhì)量約2 g，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及較高的安全性等特點(diǎn)。其接口電路極其簡(jiǎn)單，只需通過(guò)9針的接口界面與控制器相連接即可，不需要額外的電源來(lái)保持其記憶的信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

C8051F206控制器內(nèi)嵌51單片機(jī)內(nèi)核[8-15]，所以系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C51語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。C51語(yǔ)言兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，不僅具有豐富的庫(kù)函數(shù)，還具有運(yùn)算速度快、可移植性好、占用資源少和可靠性高等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用KEIL作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開(kāi)發(fā)流程。系統(tǒng)主要由GPRS模塊初始化子程序、處理數(shù)據(jù)子程序、控制GPRS模塊子程序、發(fā)送數(shù)據(jù)子程序、接收控制信號(hào)子程序、顯示子程序和發(fā)送至SD卡程序等部分組成。

3.1 主CPU程序設(shè)計(jì)

主CPU流程圖如圖5所示。

圖5 主CPU流程圖

CPU主要完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。主CPU通過(guò)串口，以ASCII碼的形式將AT指令發(fā)送至GPRS模塊，完成其初始化及打包數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、解包數(shù)據(jù)等工作；以SPI總線(xiàn)的傳輸方式接收數(shù)據(jù)采集器采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并發(fā)送至副CPU；將接收到的上位機(jī)控制信號(hào)由串口發(fā)送至下位控制機(jī)，完成對(duì)木材干燥窯的實(shí)時(shí)控制[6-7]。

此外，還有一個(gè)需要考慮的因素，那就是在數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于信號(hào)差等原因，GPRS模塊出現(xiàn)掉線(xiàn)進(jìn)而丟失數(shù)據(jù)包的情況。所以在主CPU的循環(huán)中，加入了檢測(cè)GPRS是否在線(xiàn)的子程序。一旦發(fā)生模塊掉線(xiàn)的情況，馬上進(jìn)行自動(dòng)連接，同時(shí)從SD卡中調(diào)取所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)。若出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，則由上位機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，操作SD卡中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行上傳。這樣使得系統(tǒng)盡最大的可能保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

3.2 副CPU程序設(shè)計(jì)

副CPU主要完成顯示和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能。在SPI模式下，副CPU設(shè)置為從機(jī)模式，始終等待主CPU發(fā)送數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)接收后，將數(shù)據(jù)送至LED顯示，并以主機(jī)模式經(jīng)由SPI總線(xiàn)將其發(fā)送至SD卡中保存。另外，控制器始終檢測(cè)是否收到主CPU的控制信號(hào)，決定是否調(diào)取SD卡中的數(shù)據(jù)。副CPU流程圖如圖6所示。

圖6 副CPU流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS的木材干燥窯數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)完成了干燥窯實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸、記錄及顯示功能，使人為因素的影響在數(shù)據(jù)記錄和傳輸過(guò)程中降到了最低。系統(tǒng)為遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作木材干燥窯提供了可能，這在一定程度上解決了木材干燥窯自動(dòng)化程度低的問(wèn)題。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化升級(jí)后，可以實(shí)現(xiàn)由一臺(tái)上位機(jī)監(jiān)測(cè)多臺(tái)木材干燥窯的實(shí)時(shí)干燥情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送不同的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的集中控制。

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