石小仕， 姚婭川， 吳昊翰， 劉富瑞

(1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 四川 自貢 643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 宜賓 644000；3.廣安市廣安區(qū)花橋鎮(zhèn)人民政府， 四川 廣安 638550)

引 言

在螺絲機(jī)的使用過程中，工人需要實(shí)時(shí)了解機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、工件鎖付情況以及對(duì)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，因此需要設(shè)計(jì)出一套實(shí)際可用的螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)來方便工人與機(jī)器進(jìn)行交互。

早期的HMI系統(tǒng)是由七段數(shù)碼管、LED燈、開關(guān)按鍵等簡(jiǎn)易電子元件構(gòu)成，同時(shí)還需設(shè)計(jì)出相應(yīng)的邏輯控制電路，這種HMI系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，顯示內(nèi)容少，可操作性差[1]，早期的HMI系統(tǒng)存在的問題，引起了許多專家學(xué)者及企業(yè)的關(guān)注，人們紛紛開始對(duì)螺絲機(jī)或其它產(chǎn)品的HMI系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。例如，蔡湘云[2]等人將螺絲機(jī)連接PC，利用PC的顯示屏作為人機(jī)交互窗口，這樣可以豐富顯示內(nèi)容，但是因?yàn)橥饧恿薖C使得螺絲機(jī)的一體化程度降低；林敏、覃羨烘[3-4]等人采用PLC作為系統(tǒng)主控制器，可以使用簡(jiǎn)單方便的梯形圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，但張紅[5]等人卻提到各種不同的HMI系統(tǒng)與不同廠商的PLC產(chǎn)品之間可能支持不一致的通信協(xié)議，比如西門子PLC的某些型號(hào)只能使用其廠商默認(rèn)的專用PPI協(xié)議，這使得HMI系統(tǒng)可移植性變差；鄭恒亮[6]等人設(shè)計(jì)的動(dòng)車HMI系統(tǒng)，給出了一種切屏更新算法，在切屏?xí)r才刷新數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，但此方法依然是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換方式，需要有CPU參與其中?？梢?，各個(gè)領(lǐng)域改進(jìn)的HMI系統(tǒng)，解決了一些早期HMI系統(tǒng)存在的問題，但是也衍生出了其他的方面不足。

本設(shè)計(jì)在總結(jié)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合螺絲機(jī)自身工作的需求，采用STM32作為螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)的主控制器。相比于PLC控制器，STM32不僅可以降低設(shè)計(jì)成本，而且可以更靈活地進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通信協(xié)議引入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域通用的Modbus協(xié)議，加強(qiáng)了螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)的可移植性，并且在主從設(shè)備中間數(shù)據(jù)交換時(shí)，使用了數(shù)據(jù)預(yù)裝載附加DMA功能的方法解決了系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的切屏刷新延遲的問題。同時(shí)，為了提高了機(jī)器的一體化程度并豐富界面顯示內(nèi)容，引入4.3寸工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互窗口，工業(yè)觸摸屏實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 觸摸屏實(shí)物圖

1 系統(tǒng)概述

設(shè)計(jì)的螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)主要面向流水線工人和車間維修人員，故系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到參數(shù)顯示是否清晰直觀、操作是否流暢、切屏邏輯是否合理等問題。同時(shí)，針對(duì)不同的操作人員，系統(tǒng)要設(shè)置不同的操作權(quán)限，以防止螺絲機(jī)在運(yùn)作過程中發(fā)生錯(cuò)誤操作。系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊構(gòu)成，分別是通信模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)構(gòu)成框圖

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是由E2PROM芯片24C16通過I2C總線進(jìn)行搭建，能夠儲(chǔ)存用戶常用的工件坐標(biāo)信息和機(jī)器工作日志，并能實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶開機(jī)后系統(tǒng)快速恢復(fù)上次工作狀態(tài)的功能。人機(jī)交互模塊，該模塊與操作人員有著最頻繁的接觸，在該模塊中操作人員不僅可以通過界面查看當(dāng)前工件螺絲的鎖付進(jìn)度、工件加工數(shù)據(jù)、文件管理信息等內(nèi)容，而且可以進(jìn)行觸屏操作來對(duì)待鎖付工件的坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，以及選擇U盤或E2PROM內(nèi)存儲(chǔ)的文件。

2 螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用HollySys的HT8421T型工業(yè)級(jí)觸摸屏，該屏內(nèi)置AM3352芯片，屏幕主要參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)觸摸屏參數(shù)表

觸摸屏通過RS485接口與控制器進(jìn)行連接，其硬件電路采用磁耦隔離方案，電路原理圖如圖3所示。圖3中，ADuM1411為三入一出四通道數(shù)字隔離芯片，PSM712用于熱拔插保護(hù)，F(xiàn)1、F2自恢復(fù)保險(xiǎn)是防止負(fù)載過大導(dǎo)致485芯片損壞。

圖3 螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)部分硬件電路圖

3 螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸及參數(shù)計(jì)算

3.1.1 螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)中的Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種數(shù)字通信協(xié)議[7]，該協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此采用Modbus協(xié)議作為螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)的通信協(xié)議可以加強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性。一個(gè)完整的基于Modbus協(xié)議的通信過程包括主設(shè)備的查詢和從設(shè)備的回應(yīng)兩部分，在本設(shè)計(jì)中將螺絲機(jī)的電機(jī)和電批作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工業(yè)觸摸屏作為主站，控制器作為從站，主、從設(shè)備通信原理圖如圖4所示。

圖4 主、從設(shè)備通信原理圖

在異步串行通信中，Modbus協(xié)議主要有RTU和ASCII兩種模式，根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程終端單元(RTU)模式，該模式下的消息幀格式見表2。

表2 消息幀格式

其中，螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)涉及到的功能碼有01、03、04、05，各碼解釋如下：

(1)功能碼01：讀線圈狀態(tài)，從一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中讀1～2000個(gè)連續(xù)的線圈狀態(tài)；

(2)功能碼03：讀保持寄存器，從遠(yuǎn)程設(shè)備中讀保持寄存器連續(xù)塊的內(nèi)容；

(3)功能碼04：讀輸入寄存器，從遠(yuǎn)程設(shè)備中讀1～125個(gè)連續(xù)輸入寄存器；

(4)功能碼05：寫單個(gè)線圈，將一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備中的一個(gè)輸出寫為ON或OFF。

3.1.2 參數(shù)計(jì)算

遵從Modbus RTU協(xié)議要求，傳輸過程中每一個(gè)信息幀之間至少間隔3.5個(gè)字符位，因此需要計(jì)算出相應(yīng)的幀間超時(shí)時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中，串口的波特率設(shè)為9600 bit/s，1個(gè)字符一般情況下包括1個(gè)起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)位、1位停止位，這樣說來3.5個(gè)字符需要38.5 bit，將以上數(shù)據(jù)帶入式(1)中，可得幀間超時(shí)時(shí)間Tot約為4 ms，然后開啟控制器的通用定時(shí)器用來計(jì)時(shí)，根據(jù)式(2)可計(jì)算定時(shí)器的溢出時(shí)間，本設(shè)計(jì)將定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)PSC設(shè)為72，那么裝載值為ARR=Tot。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Tot：幀間超時(shí)時(shí)間；B：波特率；Tout：定時(shí)器溢出時(shí)間；W：字符數(shù)；L：字符長(zhǎng)度；ARR：定時(shí)器裝載值；PSC：定時(shí)器預(yù)分頻系數(shù)；HCLK：控制器時(shí)鐘頻率。

為了保證接收數(shù)據(jù)的正確性，還需對(duì)信息幀進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，Modbus協(xié)議的RTU模式多采用CRC校驗(yàn)，假設(shè)預(yù)置了一個(gè)16位的寄存器，這里稱該寄存器為CRC寄存器，再定義一個(gè)整型變量k，CRC校驗(yàn)算法流程如圖5所示，圖中Byte從信息幀的第一個(gè)字節(jié)開始。

圖5 CRC校驗(yàn)算法流程圖

3.2 切屏優(yōu)化

在螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)中，不同界面切換后會(huì)對(duì)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新，顯示數(shù)據(jù)更新的快慢是衡量系統(tǒng)優(yōu)越性的關(guān)鍵因素之一。團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)初期便遭遇到了切屏相關(guān)的問題，當(dāng)界面進(jìn)行切換后，新界面上的基本固件雖然顯現(xiàn)迅速，但是一些需要實(shí)時(shí)操作的數(shù)據(jù)在屏幕上的刷新卻存在一定的延遲。

切屏延時(shí)問題的存在，不僅影響了用戶的操作體驗(yàn)，而且會(huì)拖慢工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度，影響工件螺絲鎖付效率，特別是在機(jī)器運(yùn)作時(shí)工人不能及時(shí)解讀到相關(guān)參數(shù)還可能造成潛在的安全隱患。為了解決問題，團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了切屏優(yōu)化。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)裝載

螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)主要來源于U盤或者E2PROM內(nèi)。以E2PROM為例，分析發(fā)現(xiàn)，屏幕上需要顯示的螺孔坐標(biāo)、待鎖工件型號(hào)、機(jī)器工作日志等數(shù)據(jù)都存放在E2PROM中，每當(dāng)切換到相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示界面時(shí)，從機(jī)需要先對(duì)24C16芯片進(jìn)行讀操作，這明顯延長(zhǎng)了主機(jī)上顯現(xiàn)出相關(guān)內(nèi)容的時(shí)間。為此提出了一種數(shù)據(jù)預(yù)裝載的方法，該方法充分利用了開機(jī)時(shí)設(shè)備初始化的空檔期，因?yàn)榭刂破鲉?dòng)速度快于屏幕加載，開機(jī)后屏幕會(huì)有一個(gè)開機(jī)畫面的過程，在這期間在控制器中開辟一個(gè)緩存空間，并將E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)提前讀取到控制器的緩存中，然后將顯示框地址與控制器緩存中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)地址進(jìn)行直接映射，之后若要顯示相關(guān)數(shù)據(jù)便可直接從控制器緩存中獲取。

數(shù)據(jù)預(yù)裝載的思想專門為備用數(shù)據(jù)在控制器中開辟了存儲(chǔ)空間，省去了之前現(xiàn)場(chǎng)操作外設(shè)的繁瑣步驟。將HMI系統(tǒng)連接JLINK仿真器對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)裝載情況進(jìn)行硬件調(diào)試,可見控制器緩存中得到的預(yù)裝載數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)裝載結(jié)果圖

3.2.2 啟動(dòng)DMA功能

如果單純的使用串口進(jìn)行主、從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，頻繁地觸發(fā)串口中斷，不僅會(huì)嚴(yán)重影響CPU的執(zhí)行效率，而且也會(huì)間接的降低數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移速度。因此，為了切屏后數(shù)據(jù)刷新不出現(xiàn)卡頓，開啟控制器的DMA(Direct Memory Access：直接內(nèi)存存取)功能用于數(shù)據(jù)交互。DMA是一種可以減輕CPU負(fù)擔(dān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式，其優(yōu)勢(shì)在于DMA總線獨(dú)立于控制器內(nèi)核。開啟該功能后主、從機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接傳輸，不像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸那樣需要經(jīng)歷CPU寄存器環(huán)節(jié)，這樣即能保證主、從設(shè)備間數(shù)據(jù)的高效傳輸，又能在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)為CPU騰出更多資源參與界面刷新的其他工作。

DMA的配置過程如下：

(1)使能DMA時(shí)鐘

RCC_AHBPeriphClockCmd();

(2)初始化DMA通道參數(shù)

DMA_Init();

(3)使能串口DMA發(fā)送

USART_DMACmd();

(4)使能DMA通道啟動(dòng)傳輸

DMA_Cmd();

(5)查詢DMA傳輸狀態(tài)

DMA_GetFlagStatus();

(6)獲取/設(shè)置通道當(dāng)前剩余數(shù)據(jù)量

DMA_GetCurrDataCounter();

DMA_SetCurrDataCounter();

對(duì)切屏優(yōu)化效果的驗(yàn)證，會(huì)在以下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)章節(jié)詳細(xì)說明。

3.3 界面設(shè)計(jì)

3.3.1 界面設(shè)計(jì)原則

螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)界面是操作人員與機(jī)器交互的重要媒介，是人、機(jī)對(duì)話最為直接的平臺(tái)，因此與其他圖形界面設(shè)計(jì)一樣，螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)也應(yīng)遵循直觀性、豐富性、邏輯合理性。

3.3.2 界面設(shè)計(jì)步驟

圖7 界面設(shè)計(jì)組態(tài)軟件窗口

螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)借助HollySys公司開發(fā)的HT8001CN組態(tài)軟件進(jìn)行，軟件窗口如圖7所示。本設(shè)計(jì)選用的該組態(tài)軟件適配為工業(yè)觸摸屏，軟件提供大量的圖形對(duì)象可以像搭積木那樣方便地建立界面的圖形接口，縮短了開發(fā)周期。界面設(shè)計(jì)完成后，HT8001CN組態(tài)軟件最終會(huì)生成相應(yīng)的配置文件，設(shè)計(jì)人員可以用通過SD卡或USB接口將配置文件下載到工業(yè)觸摸屏中進(jìn)行調(diào)試。

螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)變量規(guī)劃。設(shè)計(jì)過程中用表格來記錄和整理所需變量的分配情況；

(2)界面配置。利用HT8001CN組態(tài)軟件提供的基本控件來進(jìn)行界面配置，對(duì)界面上的控件進(jìn)行編號(hào)，并分配變量地址和返回值，指定按鍵的觸發(fā)條件，HT8001CN提供的基本控件見表3。

表3 基本控件表

(3)美化界面。利用PS、美圖秀秀等圖像處理軟件對(duì)界面中的背景、圖標(biāo)、字體等相關(guān)元素進(jìn)行藝術(shù)加工，最后再將結(jié)果導(dǎo)入到組態(tài)軟件中；

(4)調(diào)試與修改。把設(shè)計(jì)最終生成的配置文件借助SD卡或USB接口下載到工業(yè)觸摸屏中，并將屏幕通過RS485連接到控制器開始數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行界面的調(diào)試和修改。

3.3.3 界面框架及程序設(shè)計(jì)

圖8 界面框架圖

螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)界面框架如圖8所示?？蚣苤忻總€(gè)子模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)子界面，每一級(jí)子界面又包含若干個(gè)功能二級(jí)界面。在接收觸摸按鍵值后，主設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的界面跳轉(zhuǎn)，并向從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求。當(dāng)從設(shè)備收到請(qǐng)求后，會(huì)先對(duì)信息幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后進(jìn)行功能碼判斷。一切無誤后，從設(shè)備會(huì)給予主設(shè)備回應(yīng)，主設(shè)備對(duì)回應(yīng)信息幀進(jìn)行分析，最后對(duì)界面內(nèi)容進(jìn)行刷新，進(jìn)入正常的人機(jī)交互狀態(tài)，界面程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 界面設(shè)計(jì)程序流程圖

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

將設(shè)計(jì)完成的基于Modbus協(xié)議的螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)投放到工廠的生產(chǎn)線中進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

試驗(yàn)前期，先對(duì)觸摸屏的參數(shù)、通信參數(shù)等系統(tǒng)重要參數(shù)進(jìn)行配置，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)重要參數(shù)配置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)比了切屏優(yōu)化前后各個(gè)界面跳轉(zhuǎn)時(shí)相應(yīng)數(shù)據(jù)刷新的結(jié)果，并記錄了主要界面刷新時(shí)間。切屏優(yōu)化前后數(shù)據(jù)刷新時(shí)間對(duì)比見表4。

表4 切屏優(yōu)化前后數(shù)據(jù)刷新時(shí)間對(duì)比表

從表4中可以看出，采用數(shù)據(jù)預(yù)裝載附加DMA功能的方法對(duì)切屏進(jìn)行優(yōu)化有著顯著的效果。特別是U盤內(nèi)和E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)刷新，在未優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)需要提前操作U盤或者24C16芯片，這將會(huì)消耗大量時(shí)間，而采用該方法后，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間縮短了約3～4秒。對(duì)于鎖付監(jiān)控，因?yàn)樵摻缑鏋閯?dòng)畫展示過程，涉及數(shù)據(jù)存取情況較少，所以優(yōu)化效果不明顯?？傊?，數(shù)據(jù)預(yù)裝載附加DMA功能的方法適用于數(shù)據(jù)量大、外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸頻繁的情況，能有效的提升用戶操作的流暢感。

產(chǎn)線上的操作工人與維修人員是螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)最終的服務(wù)對(duì)象，他們對(duì)于系統(tǒng)的使用有著最直接的體驗(yàn)感受，因此他們對(duì)于系統(tǒng)的綜合性評(píng)價(jià)也有著不可忽視的話語權(quán)。將該設(shè)計(jì)在產(chǎn)線上投入使用一個(gè)月后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)產(chǎn)線工人和維修人員進(jìn)行了問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖12所示。

圖12 用戶調(diào)查結(jié)果

由圖12中可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和直觀性得到了用戶的肯定，但是界面的美化和按鍵的邏輯性得分相對(duì)較低，這將是該套系統(tǒng)在今后還需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于Modbus協(xié)議的螺絲機(jī)HMI系統(tǒng)，采用STM32作為系統(tǒng)控制器，并嵌入4.3寸工業(yè)觸摸屏作為HMI系統(tǒng)人機(jī)交互的窗口，系統(tǒng)的通信協(xié)議引用工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域通用的Modbus協(xié)議。本文中還給出了該協(xié)議重要參數(shù)的計(jì)算方法以及CRC校驗(yàn)流程。針對(duì)切屏后界面數(shù)據(jù)刷新延時(shí)的問題，開啟了控制器DMA功能，并提出了一種數(shù)據(jù)信息預(yù)裝載的辦法，有效地對(duì)切屏進(jìn)行了優(yōu)化。最后遵循界面設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)出了邏輯合理、簡(jiǎn)潔直觀、功能齊全的系統(tǒng)界面。該設(shè)計(jì)已在工廠流水線上成功投入使用，具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。