隨著我國制造業信息化和工業自動化發展進程的不斷推進，制造企業對MES(制造執行系統)與ERP系統的需求呈現遞增的趨勢．其核心之一的工業生產數據采集對實時性、可讀性以及與數據中心的兼容性有了新要求。自打印機問世以來，數控機床開始配備打印口和打印功能，機床保存數據的做法通常是將記錄有生產數據或圖形打印到紙上，再進行存檔。這種做法打印效率低、成本高、保存限制大。相比之下，電子數據的保存有如下相對優勢：
(1)打印實時且快速；
(2)打印無需紙張粉墨，可通過數據線傳輸至上位機、服務器；
(3)打印后的數據存放在服務器等大型電子存儲空間，相對較好保存。
基于這樣背景，本文提出“虛擬化打印機”的概念，通過這個由嵌入式系統虛擬成的“打印機”與設備通訊．從而獲取完整真實的打印數據。結合現有通用接口協議和協議轉換技術，本文比較幾種打印數據采集方法．提出一種通過以太網實現數據傳輸的虛擬化打印機設計方案，滿足在先進制造工業上信息化和網絡化的需求�；凇疤摂M化打印機”的數據采集傳輸系統已于2010年在上海采埃孚轉向機系統的某調試臺某工位的設備上應用。
1 研究對象與方案比較
本文針對的是工業用并口打印數據輸出設備，并行口傳輸的距離短(2m左右)，因此是在設計虛擬化打印機中最需要考慮改進的方面，系統實現的關鍵是數據的通訊與傳輸接口的設計，根據設備支持的通訊協議、系統芯片的功能設計兩者通訊的連接方式與通訊模式。
并口硬件是由8條數據線、4條控制線和5條狀態線組成，它們分別對應三個不同的寄存器來進行數據的讀寫操作，其中2～9引腳作為數據位并行收發數據。控制位和狀態位分別做通訊信號的輸出與輸入，該協議的讀寫時序如圖1所示。
圖1 SPP讀寫時序圖
針對工業用數據采集，工業常用數據通訊協議有基于串行口的RS-232,RS-485,CAN等，基于并行口的SPP,ECP,EPP等，USB以及以太網等。結合現階段的研究成果，提出如下幾種解決方案，實現虛擬化打印功能。
1.1基于FPGA設計方案
考慮RS-232串行接口常用于數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)之間的連接，其特點是傳輸速度相對較慢，但傳送距離較遠。因此提出C51單片機結合FPGA的數據采集:首先把傳送到SPP接口的打印數據由FPGA邏輯芯片進行模擬接收，然后由單片機進行采集和預處理，再從串行口把采集到的數據發送到PC的操作軟件做后續處理。
其不足在于硬件上除了51單片機處理外還需要一塊FPGA芯片如EPM7032進行控制信號的傳遞，同樣軟件成本上需要針對FPGA芯片的開發，系統的開發成本較高。
1.2基于USB主控制器設計方案
USB具有許多串行總線技術不具有的新特性，因此提出打印口與USB的轉換通訊。利用單片機和USB主控制器如CH373芯片，接收儀器的打印指令，并將指令轉換為指定打印機的指令，使單片機接收打印口數據并發送數據給USB打印機達到控制USB打印機打印數據。
該方案優點在于使用USB接口通訊，傳輸速度和距離有一定提高，適用于USB端直接USB打印機打印，若設計接入上位機，則需要編寫上位機驅動程序和通訊程序。
2 打印口-串口虛擬化打印機設計
結合現有常用工業接口協議，本文提出基于打印口一串口的虛擬化打印機方案。本方案利用單片機I/O口、緩存空間、中斷服務、定時器等，通過程序設計控制數據的讀寫和與打印口的握手通訊等，通過MAX232電平轉換芯片實現RS232協議數據的輸出。較以往方案，本方案綜合考慮軟硬件開發成本、使用可靠度、通用程度等更符合實際工業開發需求，并成功應用于某打印口輸出的數控設備的虛擬化打印實現，效果理想。
2.1硬件設計
選用STC89G51單片機，89C51與8051系列芯片完全兼容，具有4KB的FLASH可編程、可擦除PEROM和兩個16位定時器/計數器，時鐘頻率可達到24MHz。系統可提供多級中斷服務。單片機I/O口與25針打印口連接方式如表1。PO口做數據總線;打印口nSTROBE作為單片機中斷信號INTO;特別地，作為虛擬化打印機，不存在缺紙等不正常的情況，故PE等狀態位接正常電平。該方案的“虛擬化打印機”和數控設備通訊主要通過8位數據位、nSTROBE與AUTOFEED兩個控制位和nACK一個狀態位。
表1 單片機與設備通訊連線
信號輸出部分，讀入的打印口信號被轉換為串行信號將通過STC89C51的P3.0 , P3.1端口(即串行輸入輸出端)輸出。所以在單片機串行通訊時，選擇使用MAX232芯片進行TTL-->RS232電平轉換。
2.2軟件設計
來自打印口nSTROBE握手信號作為外部中斷源，實現數據讀取和傳輸，單片機程序邏輯如圖2所示。上位機軟件用MFC編寫，其核心是串口數據的讀取和打印語言的編譯，從而將設備打印口數據還原成直觀的目標圖形。
圖2單片機數據讀寫程序流程圖
3 打印口-以太網虛擬化打印機設計
考慮工業以太網的迅速普及，數據中心逐漸成熟，設計基于打印口一以太網虛擬化打印機，摒棄現場工控機，做到現場數據網絡傳輸。
3.1硬件選型及設計
選擇STM32互聯系列微控制器STM32F 107芯片作為本方案的處理器。該款芯片帶一個10/100以太網MAC(媒體訪問控制器)，該款芯片不但支持以太網通訊，適合本文的設計要求，且擁有成本低、性能穩定的優點，適合工業數控設備的改造系統。
選擇RTL8201BL MII/SNI接口可選的單端口物理層收發器，它可實現所有的10/100M以太網物理層的功能。將RTL8201 BL連接到物理LAN總線上，可以通過STM32F 107的M川介質無關接口)實現信號傳輸。MCU的GPIO(通用輸入/輸出)的PortA(DO-D7)和Port B(DO-D2)分別作為數據位與控制位。根據SPP打印口通訊協議，通過STM32的軟件設計來控制UO口的通訊，其中GPIO Port B的DO位(nSTROBE信號)定義為MCU的EXTIO(外部中斷0)。方案硬件的主要結構如圖3所示。
圖3 打印口-以太網虛擬化打印機硬件結構圖
3.2軟件設計
3.2.1網絡協議分析
LWIP(輕量級TCP/IP協議棧)是一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧，既可以移植到操作系統上，又可以在無操作系統的情況下獨立運行。該協議棧實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運行。從而適合在嵌入式結合開發成本與實際通訊可靠性，本方案也選擇LWIP協議棧并基于TCP(傳輸控制協議)通訊協議設計。
3.2.2 MCU程序設計
軟件設計基于μC/OS-II嵌入式操作系統開發編寫應用程序。LWIP移植至μC/OS-II操作系統首先需要將LWIP源文件引入系統工程，并根據情況做參數修改。系統工作前先進行各項初始化，針對網絡模塊的初始化包括PHY接口模式設置、MAC地址設置等�；谇度胧揭蕴W的“虛擬化打印機”系統的主程序流程圖如圖4所示。
圖4 打印口-以太網虛擬化打印機主程序流程
4 應用效果
為驗證上述方案數據采集的可行性與可靠性，設計上位機軟件還原數據。因數據采集是單向的，故程序流程的復雜度較低，終端程序只需不停接收數據，并計入緩存即可。虛擬化打印機讀取數據格式確定為xCL，數據以EXIT結束，以指令+內容格式體現。通過虛擬化打印機系統上傳的數據經還原，實際應用設備的某次還原圖形如圖5所示。
圖5 應用結果-還原圖形
5 結語
本文提出的“虛擬化打印機”系統方案已經投入應用，在某汽車轉向機生產企業的齒條嚙合測試儀上實現了從設備打印口中讀取加工工件的動態數據并通過計算機軟件還原成圖片保存。
設計為老舊設備數據采集及保留提供了一個高效、經濟的方案，設計實現了“無紙化打印”，實現生產數據的可追溯性。打印口一以太網“虛擬化打印機”的方案更進一步省去現場工控機，只要經過數據中心、交換機等進一步配置，即可以實現現場數據一數據中心的實時傳輸。其作為一個老式數控設備的改造是可靠的解決方案，為網絡化甚至是無線化的工業數據采集及整體MES系統或ERP系統創造打下一定基礎。
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本文標題：基于虛擬化打印機的數據采集設計
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