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2011/07/25
作者：庄喻韬 洪峰 袁卿瑞 项飞 张立永
一、引言
线缆铠装是保证线缆长期保持优良性能的一道工序，一旦护层受伤，铠装内部部件特性就会发生改变，从而无法继续运行，因此线缆的使用寿命很大程度上取决于铠装的质量。抱着提高铠装质量，更好的嵌入自动控制技术的目的，我们引入了转速记录仪，并通过将转速转化为线速使用至铠装工艺中。
转速记录仪是集计算机技术、电子技术为一体的机电一体化高科技产品，具有精确度高，使用方便等优点。
记录仪包括主控板，打印机驱动板，霍尔传感器，12864液晶显示器，微型打点打印机这五部分。该记录仪能记录实时的包带行进速度，使用总公里数，以及历史最高速度，具备外部环境温度显示，总公里数设置，必要时可嵌入打印等功能，是可在线缆制造中应用的一个高精度，功能强大的数据采集器。
记录仪（以下简称码表）在国内外已经有了广泛的应用，但是过去的国产码表存在着很多缺点。
1、安装相当麻烦，根据使用者评价，一般安装需要半小时以上。
2、即时速度显示混乱，速度高于25M/S以后（特别是30M/S以后）当前速度就开始有波动，速度越快波动越大[1]。
3、里程和速度的清零功能未能真正实现，只能连总里程和时钟一起全部清零重置[2]。
4、某些国产表的无法适应20cm半径下线圈。
经过我公司技术人员改进后，设计时选择的实时性能较好，而价格相对便宜AVR的MEGA64高性能8位单片机，缩短的了安装时间，提高了即时速度显示精度，并改进了清零机制，提高了表对整体流程的适应性。
改进后的仪表目前在主要在金属外包中使用，提高了速度检测精度，并在整个控制流程中与控制系统反馈关联后，为整条生产线自动化运行提供了实时数据。随着此技术的进一步实际改进，也可以在线缆制造的放线，收线，标识压印中应用，从而保证整条生产线的各步骤实时速度匹配，工序协调和原料供应跟随。
二、系统框架和要求
系统框架结构图如下：
1、记录仪的硬件总共涉及到温度，时间，电源，液晶，打印机等多个模块组成，在设计硬件时需要充分考虑到各种干扰和恶劣环境等因素。
2、多层菜单设计需要一个较好的算法来实现。
3、需在单片机内置IIC,SPI等总线协议[3]，因为在温度获取，flash存储中等都需要用到这些总线。
4、必要时连接外界打印机驱动电路，做好和主控板(记录仪)的接口，可方便管理人员进行数据导出和统计。
三、硬件系统设计
1、主控板
主控板主要包括：CPU，Atmega64；时钟芯片，DS1302；存储芯片，24LC64；JTAG在线仿真接口；中断独立按键模块；LED调试电路；12864液晶显示接口；DS18B20温度传感器接口；霍尔传感器接口；打印机驱动板接口。
ATMEL公司的Atmega64八位高性能单片机作为主控系统的核心[4]，最小系统如图： 
霍尔传感器，顾名思义，利用的是霍尔效应。
霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压[5]。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
霍尔传感器是记录仪实现的最核心的部件，记录仪的核心记录参数，便是由霍尔传感器信号处理后输入记录的。传感器初始输出信号是正弦信号[6]，而单片机能识别的只是1或0的高低电平，所以需要进行改良，目的为了提高灵敏度和改善输出波形，改良的电路图如图：
由以上工作原理可知，可以通过调节滑动变阻器R3，从而来调节触发电平。并且通过点亮灯LED1来指示信号的输出。
改良后的霍尔传感器信号输出波形如图：
3、其它外围电路
除了以上涉及核心电路外，其它比如时间显示，数据存储，温度显示等，都分别需要不同的硬件模块提供支持。
（1）时钟模块
这里时钟采用了达拉斯的DS1302时钟芯片，该模块采用串行工作模式，通过SCLK（Signal Clock，信号时钟）， I/O（Input And Output，输入输出信号），RST（Reset 复位信号）三线控制芯片工作。
（2）数据储存模块
数据存储采用了ATMEL公司的24LC64 EEPROM（可编程电可擦除存储芯片），该模块采用的是标准的I2C总线模式，操作简单方便，总容量为64Kbit，8K字节。
（3）温度传感模块
温度传感器采用的是达拉斯的DS18B20，单总线模式，采用的是单总线模式，该数字温度传感器最大的的特点是，只需一个IO管脚便可以控制其工作，并且该传感器传感温度精确，最小可以精确到0.0625℃。
（4）独立按键模块
独立按键模块是提供用户来控制和使用UI界面，每个按键按下时都会产生一个中断，在设计嵌入式软件时可以通过按键中断来判断按键值，并且可以通过定时器去除抖动，提高整套软件的运行效率。
四、软件系统设计
本套软件主要实现包带速度的记录和智能控制，其实现的功能主要有以下几点：
五、系统核心概述及实现
整套系统测速的核心部件是霍尔元件，利用霍尔元件进行改良，如上硬件设计中提到的图3。从而使传感器在周期性的磁场作用下产生一个固定周期的方波。当出现方波的下降沿时，单片机可以利用外部中断采集到这个下降沿，并跳转到中断服务入口，在中断服务中可以通过打开定时器来实现记录每个方波或者一定方波个数n的时间t。
这里假设测量的圆周长是len厘米。则由以上数据可知如下公式。
速度 V = n*len/t (cm/s)，其中len的单位为厘米，t的单位为秒。
包带速度记录仪顺利的完成，并通过了实际在实际应用中的测试，实现的功能主要如下：
六、结语
2011年我国各主要光缆生产商产能急剧扩大，改进光缆制造工艺所产生的价值显得尤为突出。而铠装保护层可以加到任何结构的电缆和光缆上，以增加线缆的机械强度，提高防侵蚀能力，是为易受机械破坏及及易受侵蚀的地区而设计，并可以采用多种方式敷设。加上铠装层的目的除了增强抗拉强度、抗压强度等机械保护延长使用寿命外，还有有一定的抗外力性能，还可以地防老鼠撕咬，不至于透过铠装造成线路传输损坏问题。在线缆制造中必不可少的铠装工序中，我们自主设计了转速记录仪。本文阐述了转速记录仪设计理念方法，希望在线缆制造中能发挥其价值。同时，以此单片机技术为基础进行改进，可在线缆或其他领域更大范围的使用测速系统，并反馈给控制系统，从而完成整套生产线的工业自动化，为线缆的制造提供一个有效的改进方向。
线缆铠装是保证线缆长期保持优良性能的一道工序，一旦护层受伤，铠装内部部件特性就会发生改变，从而无法继续运行，因此线缆的使用寿命很大程度上取决于铠装的质量。抱着提高铠装质量，更好的嵌入自动控制技术的目的，我们引入了转速记录仪，并通过将转速转化为线速使用至铠装工艺中。
转速记录仪是集计算机技术、电子技术为一体的机电一体化高科技产品，具有精确度高，使用方便等优点。
记录仪包括主控板，打印机驱动板，霍尔传感器，12864液晶显示器，微型打点打印机这五部分。该记录仪能记录实时的包带行进速度，使用总公里数，以及历史最高速度，具备外部环境温度显示，总公里数设置，必要时可嵌入打印等功能，是可在线缆制造中应用的一个高精度，功能强大的数据采集器。
记录仪（以下简称码表）在国内外已经有了广泛的应用，但是过去的国产码表存在着很多缺点。
1、安装相当麻烦，根据使用者评价，一般安装需要半小时以上。
2、即时速度显示混乱，速度高于25M/S以后（特别是30M/S以后）当前速度就开始有波动，速度越快波动越大[1]。
3、里程和速度的清零功能未能真正实现，只能连总里程和时钟一起全部清零重置[2]。
4、某些国产表的无法适应20cm半径下线圈。
经过我公司技术人员改进后，设计时选择的实时性能较好，而价格相对便宜AVR的MEGA64高性能8位单片机，缩短的了安装时间，提高了即时速度显示精度，并改进了清零机制，提高了表对整体流程的适应性。
改进后的仪表目前在主要在金属外包中使用，提高了速度检测精度，并在整个控制流程中与控制系统反馈关联后，为整条生产线自动化运行提供了实时数据。随着此技术的进一步实际改进，也可以在线缆制造的放线，收线，标识压印中应用，从而保证整条生产线的各步骤实时速度匹配，工序协调和原料供应跟随。
二、系统框架和要求
系统框架结构图如下：
图1 系统框架图
解决的主要内容： 1、记录仪的硬件总共涉及到温度，时间，电源，液晶，打印机等多个模块组成，在设计硬件时需要充分考虑到各种干扰和恶劣环境等因素。
2、多层菜单设计需要一个较好的算法来实现。
3、需在单片机内置IIC,SPI等总线协议[3]，因为在温度获取，flash存储中等都需要用到这些总线。
4、必要时连接外界打印机驱动电路，做好和主控板(记录仪)的接口，可方便管理人员进行数据导出和统计。
三、硬件系统设计
1、主控板
主控板主要包括：CPU，Atmega64；时钟芯片，DS1302；存储芯片，24LC64；JTAG在线仿真接口；中断独立按键模块；LED调试电路；12864液晶显示接口；DS18B20温度传感器接口；霍尔传感器接口；打印机驱动板接口。
ATMEL公司的Atmega64八位高性能单片机作为主控系统的核心[4]，最小系统如图：
图2 核心板最小系统
2、霍尔传感器霍尔传感器，顾名思义，利用的是霍尔效应。
霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压[5]。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
霍尔传感器是记录仪实现的最核心的部件，记录仪的核心记录参数，便是由霍尔传感器信号处理后输入记录的。传感器初始输出信号是正弦信号[6]，而单片机能识别的只是1或0的高低电平，所以需要进行改良，目的为了提高灵敏度和改善输出波形，改良的电路图如图：
图3 改良的霍尔传感器
工作原理：如上图4.4 ，在没有磁场的情况下，3144输出高电平，则运算放大器输出低电平，当经过磁场时，3144输出电平渐渐变低，当电平低于放大器负极时则放大器输出低电平，从而通过单片机采集这个低电平信号。由以上工作原理可知，可以通过调节滑动变阻器R3，从而来调节触发电平。并且通过点亮灯LED1来指示信号的输出。
改良后的霍尔传感器信号输出波形如图：
图4 霍尔传感器输出信号
如上图4.5可知，经过改良后的霍尔传感器能输出一个单片机能识别的方波，并且可以通过调节滑动变阻器R3来调节传感器的触发电平，同时通过指示灯LED1来指示信号的输出，最主要达到了增强信号的可处理性的目的。3、其它外围电路
除了以上涉及核心电路外，其它比如时间显示，数据存储，温度显示等，都分别需要不同的硬件模块提供支持。
（1）时钟模块
这里时钟采用了达拉斯的DS1302时钟芯片，该模块采用串行工作模式，通过SCLK（Signal Clock，信号时钟）， I/O（Input And Output，输入输出信号），RST（Reset 复位信号）三线控制芯片工作。
（2）数据储存模块
数据存储采用了ATMEL公司的24LC64 EEPROM（可编程电可擦除存储芯片），该模块采用的是标准的I2C总线模式，操作简单方便，总容量为64Kbit，8K字节。
（3）温度传感模块
温度传感器采用的是达拉斯的DS18B20，单总线模式，采用的是单总线模式，该数字温度传感器最大的的特点是，只需一个IO管脚便可以控制其工作，并且该传感器传感温度精确，最小可以精确到0.0625℃。
（4）独立按键模块
独立按键模块是提供用户来控制和使用UI界面，每个按键按下时都会产生一个中断，在设计嵌入式软件时可以通过按键中断来判断按键值，并且可以通过定时器去除抖动，提高整套软件的运行效率。
四、软件系统设计
本套软件主要实现包带速度的记录和智能控制，其实现的功能主要有以下几点：
- 显示平均速度，实时速度，时间和温度
- 记录速度、包带使用总公里数、单卷运行的使用长度。
- 记录总运行时间，单次运行时间
- 测量圆周半径设定，总公里数初值设定
- 自动关机，节电保护
- 必要时统计信息打印
- 时间显示和时间设置
- DS1302时钟模块驱动
- DS18B20数字温度传感器模块驱动
- 24LC64 EEPROM存储模块驱动
- 12864液晶显示模块驱动
- 霍尔传感器计速模块驱动
- EPSON M-150II微型打点打印机驱动
五、系统核心概述及实现
整套系统测速的核心部件是霍尔元件，利用霍尔元件进行改良，如上硬件设计中提到的图3。从而使传感器在周期性的磁场作用下产生一个固定周期的方波。当出现方波的下降沿时，单片机可以利用外部中断采集到这个下降沿，并跳转到中断服务入口，在中断服务中可以通过打开定时器来实现记录每个方波或者一定方波个数n的时间t。
这里假设测量的圆周长是len厘米。则由以上数据可知如下公式。
速度 V = n*len/t (cm/s)，其中len的单位为厘米，t的单位为秒。
包带速度记录仪顺利的完成，并通过了实际在实际应用中的测试，实现的功能主要如下：
- 显示实时速度和平均速度
- 显示包带总公里数和单次运行使用公里数
- 显示时间和温度
- 节电保护(一定时间灭液晶，可设置时间长短)
- 运行信息存储
- 用户菜单UI界面
- 时间修改
- 检测半径设置，公里数设置等一些参数的设置
六、结语
2011年我国各主要光缆生产商产能急剧扩大，改进光缆制造工艺所产生的价值显得尤为突出。而铠装保护层可以加到任何结构的电缆和光缆上，以增加线缆的机械强度，提高防侵蚀能力，是为易受机械破坏及及易受侵蚀的地区而设计，并可以采用多种方式敷设。加上铠装层的目的除了增强抗拉强度、抗压强度等机械保护延长使用寿命外，还有有一定的抗外力性能，还可以地防老鼠撕咬，不至于透过铠装造成线路传输损坏问题。在线缆制造中必不可少的铠装工序中，我们自主设计了转速记录仪。本文阐述了转速记录仪设计理念方法，希望在线缆制造中能发挥其价值。同时，以此单片机技术为基础进行改进，可在线缆或其他领域更大范围的使用测速系统，并反馈给控制系统，从而完成整套生产线的工业自动化，为线缆的制造提供一个有效的改进方向。
