天津大学彩色无纸记录仪的设计与原理

彩色无纸记录仪是以多微处理器组成处理器网络的功能强、实时性好的新一代记录仪表。其特点在于可对标准电压、电流、热电阻、热电偶信号实现通用输入，使装调简化；采用先进的A/D技术和自校正技术，提高了自动抗温漂的能力，对恶劣环境中的各种干扰进行了有效地滤除；运用带掉电保护的大容量RAM，绍兴中仪可做到zui大512M的存储容量和CF存储卡（128-1G）相结合，以解决近期数据的查阅和长期数据保存的矛盾。采用TFT真彩色5英寸液晶体现屏，扩大了体现信息。友好的人机界面，有工程量体现，棒图体现，曲线体现等多幅画面便于查阅；多达5级的灵活的中文菜单进行系统设置，并有密码对设定参数进行保护；采用RS-232/RS-485通讯接口，与PC机实现数据通讯及上位机组态，还可外接微型串行打印机打印各通道数据及实时报警状态栏；外壳设计采用专用铝合金型材，具有较好的抗干扰能力，安装方便，美观实用。可广泛用于化工、冶金、石油等各种领域中对生产过程中工业参数的采样、监测、分析、存储，弥补了机械式有纸记录仪卡纸，墨水泄漏，机械结构复杂，维护成本高，功能有限等种种缺陷，是自动化生产中理想的换代仪表。

无纸记录仪工作原理

无纸记录仪中的通道板分别将各种模拟输入信号经采样，放大后送到A/D转换部分。此信号经A/D转换器转换成数字量，并经数字滤波后存入数据存储区，通道板CPU每0.2s与主板CPU进行通讯，把测量数据传送给主板，主板对此数据进行必要的处理，将其转换成工程值或曲线（体现屏的坐标），在体现屏不同的画面中体现这些信息。此外，CPU还将测量值得分别在RAM和FLASH存储卡存储，进行上下限报警处理，并根据报警输出设置将报警状态以接点的方式在相应的继电器上输出。

CPU通过数据总线接受键盘操作命令，根据此命令进行相应的处理及体现。把各项设定参数存储在EEPROM中。并根据打印设置，将相应的数据通过RS232通讯接口传送到打印机，将数据打印出来。

无纸记录仪硬件结构

无纸记录仪由主板、通道板、体现屏、键盘、存储卡、继电器输出板、通讯板和电源6部分组成，相互之间由带缆和总线插槽连接。

体现屏

采用点阵式彩色液晶体现屏，分辨率为220*160，可体现8种颜色，从而实现汉字、图形、表格的体现。

主板

主板紧张包括单片机系统和信号切换单元。

无纸记录仪硬件结构图

单片机系统

采用8位单片机80C32和80C31，完成对输入信号的测量、运算、画面体现和报警输出以及通讯等功能，紧张包括有CPU（80C31/80C32）、EPPOM（27C512）、EEPROM（24LC02）、RAM（628128）、看门狗（DS1232）、时钟（DS1216）。

具有掉电保护的RAM可以防止意外掉电或关机情况下内部设定参数及记录数据的丢失。关键数据的保护，以及通讯参数的设置等，对无纸记录仪来说是到头严重的，直接影响它的正常运行。

看门狗紧张防止仪表因受外界干扰而出现死机现象，一旦CPU或RPROM受到干扰千万程序混乱，看门狗将在特定的时间内重新复位CPU，使其重新运行，从而保证仪表正常运行。

时钟紧张为该仪表提供实时时间，CPU只需在一定时间内读取时钟芯片内的时钟数据关于体现屏体现，无需占用CPU内部定时器，大大减少了CPU的资源和运行时间。在此时钟芯片中还集成一块锂电池，在系统掉电或关机时，保护了实时时钟以及RAM中存储的数据。

EEPROM（24LC02）中存储了各通道的设定参数，每个通道都有一片24LC02，分别记录了该通道的调校数据、设置参数（包括信号类型、量程上下限、工程量程、数据记录间隔、报警上下限等），芯片采用两线制，极大地节省了系统资源。

继电器控制单元

紧张根据报警输出的状态为继电器的通/断提供控制信号。

通道板

由于无纸记录仪接受的模拟信号为标准信号或各种热电偶、热电阻信号，主机需要具有对其进行一系列的信号处理功能：单片机控制多嘴开关的切换，毫伏信号的放大，A/D转换，zui后将转换后的数据算术平均值存入单片机相应的单元中。

单片机系统与通道板的连接：单片机系统定时与通道板通讯，向通道板发送指令并从通道板接受采样数据，且各通道间相互隔离。

电源电路

采用低压开关电源，提高了转换听从，降低了功耗。电源电路和输入可选用交流AC220V/50Hz或直接DC24V电源，以满足不同工业环境的要求。

主机外壳

采用专用铝合金开票，开孔尺寸138*138mm，现在根据需要，绍兴中仪开发了多款外形以适合不同的客户需求，如160*80mm、288*288mm等。

无纸记录仪关键技术

信号的通用输入

无纸记录仪通过后端子的接线，系统菜单内的设置相结合，方便地实现了不同类型信号的通用输入，其原理如图2所示。

图2：无纸记录仪通用信号输入原理图

图2中，S1及S2的开闭情况如下，当信号为热电偶，S2打开，S1闭合；当信号为标准信号时，S1打开,S2闭合；当信号为热电阻时，S1，S2都打开。

热电阻采样

无纸记录仪采用模拟开关进行通道切换对热电阻信号采样，由于模拟开关内的导通电阻是不可知的，且各通道间导通电阻也不相通，所以需要在电路设计上进行考虑，细致方法如图3所示。

无纸记录仪热电阻采用电路图

图三中，R102，R101分别为被测热电阻的上，下限电阻值，电流源流经被测热阻或标准电阻时，产生电压，而从Y端取出的电压为模拟开关前端的电压，排除了导通电阻的影响，提高了精度。

紧张技术指标

基本误差：±0.2%，历史记录回放误差：±0.1%，报警误差：±0.1%，重复性误差：±0.1%，报警重复性误差：±0.1%，串行口输出：RS-232，电源AC220V±10%或DC24V。

结束语

无纸记录仪表现出适应范围广，使简单，精确可靠，功能强大等特点，是传统无纸记录仪不能比拟的，可广泛应用于石油、化工、食品、自来水、水处理等行业中对生产过程参数的测量与记录。相信它会在自动化生产过程中发挥越来越大的作用。

作者简介：王悦，北京人，1994年毕业于北京机械工业学院，目前在天津大学管理学院就读，工业工程专业在职工程硕士。