便携式冷却系统无纸记录仪的设计

摘要

工业现场数据的采集、记录和分析一直是工业控制中的重要问题。老式的记录仪通常采用机械结构带动纸轴旋转，用记号笔在纸上记录数据的幅值或有效值点。其数据精度低、响应速度慢、数据不易保存等缺点显而易见。本系统采用“数据采集-海量存储-无线远传”的方案实现工业现场数据的记录，具有操作灵活、精度高、速度快、数据分析方便等优点，已经应用于大型冷却系统的数据记录中。
　　 系统采用具有ARM Cortex-M3内核的STM32微控制器实现，分为模拟量采集模块、数字量采集模块和主控模块共3种模块。除主控模块外，采集模块可以实现灵活组合和扩展。
　　 数字量采集模块采用STM32片上脉冲输入捕获单元实现，模拟量采集模块采用STM32片上12位的A/D转换器实现。在系统的过程通道中，数字信号经过隔离、整形等操作后输入到微控制器的脉冲捕获单元进行测频；而模拟信号经过信号转换、放大等操作后输入到微控制器的A/D转换器中进行转换。同时，模拟信号采集模块的设计还兼顾了热电偶传感器的非线性信号的冷端补偿和线性化。
　　 系统的海量存储功能由SD卡和FAT文件系统实现。SD卡是一种基于FLASH存储技术的大容量存储介质，其大量数据读写速度快且容量大，非常适合大数据量的采集系统使用。FAT文件系统的移植保证了采集的数据被写入指定的文件，进而能被上位机软件读取和处理。
　　 系统主控模块和上位机的通信采用无线通信方式进行，选用nRF2401单片无线通信芯片实现。系统的上位机软件通过串口通信控件将设置命令和数据下传给主控模块，对采集模块的参数进行设置。
　　 综上，系统的设计完全可以满足预计的采集功能和精度，并可以在大型冷却系统工业现场中稳定运行。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 显示记录仪表的现状及发展趋势

1.2 系统主要功能要求

1.3 系统检测精度要求

1.4 系统的整体构成

1.5 本论文研究的主要内容

2 控制器及人机接口的设计与实现

2.1 STM32系列微控制器

2.1.1 STM32的复位和时钟控制

2.1.2 实时时钟RTC

2.1.3 备份寄存器BKP

2.2 人机接口的设计和实现

2.2.1 基于RA8803控制的320×240液晶模块

2.2.2 按键输入的实现

2.3 本章小结

3 系统过程通道的设计与实现

3.1 数字采集模块的结构原理与硬件实现

3.2 STM32带输入捕获功能的定时器

3.2.1 TIM定时器输入捕获的技术细节

3.2.2 测频程序的实现

3.3 模拟采集模块的结构和原理

3.3.1 信号采样原理

3.3.2 模拟量输入通道的结构

3.3.3 A/D转换器的性能指标

3.4 模拟采集模块的硬件实现

3.4.1 应变信号的转化

3.4.2 多路转换器

3.4.3 衰减电路和放大电路

3.5 STM32片上12位A/D转换器

3.5.1 A/D转换器的技术细节

3.5.2 A/D转换结果的DMA访问

3.5.3 模拟量采集程序的实现

3.6 应变传感器的校准

3.7 热电偶传感器的冷端补偿和线性化

3.7.1 热电偶传感器的测温原理

3.7.2 热电偶传感器的冷端补偿原理

3.7.3 冷端补偿和线性化的实现

3.8 本章小结

4 系统海量存储功能的设计与实现

4.1 STM32片上SPI接口的技术细节

4.2 SD卡存储模块设计与实现

4.2.1 SD卡与微控制器的接口电路

4.2.2 SD卡的驱动程序设计

4.3 文件系统的实现

4.3.1 保留区

4.3.2 FAT区

4.3.3 根目录区和文件目录数据区

4.4 存储过程与采集过程的速度匹配

4.5 本章小结

5 系统通信的设计与实现

5.1 各模块间通信设计

5.1.1 RS-232电平转换的硬件设计

5.1.2 STM32片上USART接口的技术细节

5.1.3 多机通信的实现方法

5.2 无线通信设计

5.3 系统上位机数据模块的设计与实现

5.4 本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢