十多年來，對現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、保存的重要性獲得前所未有的共識，無紙記錄儀的市場獲得了長足的發(fā)展。隨著市場的擴展，無紙記錄儀的技術(shù)無論在深度和廣度上都取得了前所未有的進展，其特征是與高新技術(shù)結(jié)合，在方法和體系上開始發(fā)生很大變化。計算機技術(shù)、信息技術(shù)、新型開關(guān)電源技術(shù)等電子、軟件領(lǐng)域的滲透與交叉融合，推動了無紙記錄儀技術(shù)的形成和發(fā)展。
無紙記錄儀
1 無紙記錄儀早期的技術(shù)特征
無紙記錄儀的形成，始于石化工業(yè)。20世紀90年代前，石化行業(yè)在記錄現(xiàn)場的流量、溫度、壓力等參數(shù)時，使用有紙記錄儀。有紙記錄儀的缺點很明顯，顯示不直觀（只有趨勢顯示），需要定期換紙、更換墨水等耗材。隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，兩項關(guān)鍵技術(shù)的突破使得無紙記錄儀的開發(fā)成為現(xiàn)實。
1.1 液晶顯示技術(shù)
液晶顯示器出現(xiàn)前，業(yè)界使用CRT顯像管作為電子顯示的方式。CRT顯像管體積大、功耗高、抗震性差、且需要高壓來驅(qū)動顯示，無法作為工業(yè)儀表的顯示器。而液晶顯示器作為新興的顯示技術(shù)，具有重量輕、厚度薄、抗震性好等新特性，使用LED發(fā)光二極管或者CCFL作為光源，是工業(yè)儀表理想的顯示器。
早期液晶顯示器均為單色（黃底黑字），分辨率不高（128*64像素），一般自帶顯示控制器，微控制器使用并行總線與顯示控制器連接，可用來顯示數(shù)字和曲線，并可顯示漢字。
1.2 固態(tài)電子存儲器（閃存）
記錄是無紙記錄儀的主要功能。基于抗震的考慮，軟盤、硬盤等帶活動部件的存儲技術(shù)無法滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，而EEPROM的存儲容量不足以用來作為數(shù)據(jù)存儲器。閃存（Flash memory）是一種電子式可清除數(shù)據(jù)存儲器，允許在操作中被多次擦或?qū)懙拇鎯ζ鳎扇毡緰|芝公司與1984年發(fā)明。
閃存分為Nand Flash和Nor Flash兩種類型。Nand Flash具有存儲量大，擦寫速度快的特點，但是由于生產(chǎn)工業(yè)的原因，在存儲空間中存在壞塊，因此無法用于高可靠性要求的工業(yè)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用。而Nor Flash可靠性高，且能擦寫100萬次以上，是無紙記錄儀數(shù)據(jù)存儲的理想選擇。
無紙記錄儀
2 無紙記錄儀技術(shù)的發(fā)展
2.1 萬能信號輸入技術(shù)
無紙記錄儀作為模擬信號采集裝置，需要接入現(xiàn)場多種傳感器信號。早期無紙記錄儀使用單類型信號調(diào)理模塊作為模擬信號轉(zhuǎn)換，熱電偶、熱電阻、電壓、電流等信號需使用不同的信號調(diào)理模塊，這種信號處理方式給用戶帶來極大的麻煩。
萬能信號輸入技術(shù)使用光繼電器作為不同信號類型的切換開關(guān)，同時使用運算放大器和模擬開關(guān)輔助切換信號量程，使得各種不同信號類型和不同量程的傳感器只需要通過軟件組態(tài)設(shè)置，即可輸入儀表。用戶再也無需為傳感器和信號調(diào)理模塊的匹配問題而煩惱。
2.2 數(shù)字通訊技術(shù)
隨著工廠信息化程度的提高，現(xiàn)場的傳感器數(shù)據(jù)需要在工廠的信息系統(tǒng)中集中顯示，無紙記錄儀需要提供通訊接口。通訊接口分為物理鏈接和通訊協(xié)議兩部分：
物理鏈接：RS232和RS485是兩種常用的串行通信技術(shù)。RS232只能一對一通訊，且通訊距離一般不超過10米。而RS485可以多機通訊，使用差分信號，傳輸距離超過1000米。因此，RS485是工業(yè)現(xiàn)場最常用的通訊方式。
通訊協(xié)議：Modbus是Modicon于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）而發(fā)布的。Modbus是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間最常用的連接方式[1]。Modbus比其他通信協(xié)議使用的更廣泛的主要原因有：
l 公開發(fā)表并且無版稅要求；
l 相對容易的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署（使用RS485）；
l 對生產(chǎn)廠商，修改移動原生的寄存器沒有很多限制；
2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存
無紙記錄儀在儀表內(nèi)部存儲了大量的數(shù)據(jù)，隨著計算機的普及，在儀表上操作查看歷史數(shù)據(jù)顯然不如在電腦上查看方便，且計算機提供了數(shù)據(jù)錄入、分析、打印等功能，是儀表上無法實現(xiàn)的。而大量的數(shù)據(jù)通過串行通訊進行上傳，速度慢、時間長、容易傳輸失敗，而且有很多現(xiàn)場并沒有將無紙記錄儀進行通訊聯(lián)網(wǎng)。使用優(yōu)盤和使用SD卡是常用的兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存方式。
使用優(yōu)盤或SD卡時，需在儀表上增加USB或SD接口[2]。使用傳統(tǒng)的8051處理器無法滿足USB或SD接口的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，而32位的ARM高速處理器可以實現(xiàn)USB接口等功能。優(yōu)盤和SD卡具有高抗震性，支持熱插拔，存儲容量大等特點，一個優(yōu)盤或一張SD卡即可存儲幾百臺無紙記錄儀的存儲數(shù)據(jù)，用戶可一次備份多臺儀表，統(tǒng)一在電腦上查看數(shù)據(jù)，方便抄表使用。
由于SD卡具有體積小、功耗低的特點，可作為無紙記錄儀的擴展存儲器，利用無紙記錄儀的自動備份功能，使儀表的連續(xù)存儲時間成倍增加。
無紙記錄儀
3 無紙記錄儀技術(shù)的發(fā)展趨勢
3.1 以太網(wǎng)、無線通訊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
基于數(shù)據(jù)傳輸量的增加和通訊速度的要求，傳統(tǒng)的串行通訊已經(jīng)無法滿足未來的通訊需求。工業(yè)以太網(wǎng)及基于以太網(wǎng)的無線通訊技術(shù)的普及對無紙記錄儀提出了新的通訊需求。
國外廠商在多年前就已經(jīng)提供了以太網(wǎng)的產(chǎn)品，而國內(nèi)廠商由于技術(shù)積累薄弱和市場需求疲軟等原因，基本沒有提供此類功能。
l 以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，通常使用TCP/IP通訊協(xié)議。基于TCP/IP通訊協(xié)議，可實現(xiàn)多種無紙記錄儀需要的功能[3]。
l 實時數(shù)據(jù)傳輸：使用MODBUS/TCP協(xié)議，可實現(xiàn)與基于RS485的MODBUS-RTU相同的實時數(shù)據(jù)通訊功能。
l 歷史數(shù)據(jù)傳輸：使用FTP協(xié)議，可實現(xiàn)計算機直接讀取儀表內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)，速度快，且可直接使用瀏覽器訪問，無需專用軟件。
l 時間同步功能：由于硬件時鐘運行時間長后，總會存在誤差，而時間是記錄數(shù)據(jù)準確的一個重要維度。使用SNTP（簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無紙記錄儀的時間同步，使記錄數(shù)據(jù)更準確。
l 瀏覽器訪問功能：儀表內(nèi)構(gòu)件一個HTML服務(wù)器，用戶通過瀏覽器遠程訪問無紙記錄儀，即可看到與記錄儀顯示一樣的畫面，且可進行在記錄儀上相同的操作。
而在即將到來的物聯(lián)網(wǎng)浪潮中，無紙記錄儀將由一個的模擬信號與數(shù)字傳輸之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備，轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的模擬傳感器與新興的物聯(lián)網(wǎng)連接的一座橋梁，既降低用戶部署新型互聯(lián)的技術(shù)難度，同時也保護了用戶現(xiàn)有的操作習慣。
3.2 高分辨率顯示與觸摸交互技術(shù)
智能手機和平板電腦的流行使用戶對工業(yè)儀表的顯示與操作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的無紙記錄儀由于技術(shù)與成本的原因，并沒有使用高分辨率顯示屏，顯示不清晰，顏色效果差。在操作方面，由于儀表面板體積受限，使得儀表的按鍵數(shù)量較少，用戶在操作時相當麻煩，尤其是歷史曲線查詢、組態(tài)設(shè)置等操作。
高分辨率顯示需要使用新型的液晶顯示控制器、大容量的顯示緩沖以及高速數(shù)據(jù)傳輸總線才能實現(xiàn)。液晶顯示控制器分為MCU自帶控制器、專用液晶顯示控制器、使用CPLD/FPGA自行開發(fā)三種。目前的工業(yè)MCU自帶的控制器和專用液晶顯示控制器能驅(qū)動的顯示分辨率在640*480以下，不適用與高分辨率液晶的驅(qū)動。因此，實現(xiàn)高分辨率顯示需使用CPLD/FPGA自行開發(fā)。
觸摸屏使得傳統(tǒng)的按鍵式操作相形見絀，滑動移動曲線、雙指縮放曲線、全字母鍵盤點擊輸入等功能令人神往。觸摸屏的技術(shù)難度不在硬件而在軟件。觸摸屏操作必須結(jié)合良好的UI才能獲得良好的體驗。
3.3 實時操作系統(tǒng)、超大容量存儲及文件系統(tǒng)技術(shù)
以太網(wǎng)通訊、無線通訊、高分辨率顯示、觸摸交互，這些技術(shù)如果沒有操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的支撐是無法實現(xiàn)的，而工業(yè)現(xiàn)場的要求使得這個操作系統(tǒng)必須是一個實時操作系統(tǒng)。
現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)很多，主要由WinCE、VXWorks、uC/OS-II、FreeRTOS、eCOS等[4]。各廠商可根據(jù)實際應(yīng)用選擇適合的操作系統(tǒng)。
現(xiàn)有的無紙記錄儀的存儲容量普遍在100MB以下，這是由兩方面的原因造成的。一是工業(yè)級的固態(tài)存儲器普遍容量不高，二是在1GB以上的存儲方式下，沒有文件系統(tǒng)無法實現(xiàn)空間的有效管理，而現(xiàn)有的文件系統(tǒng)無法適應(yīng)在頻繁掉電下工作。
工業(yè)級寬溫SLC Nand Flash能很好的適應(yīng)各種嚴酷的場合，同時容量已經(jīng)可以做到32GB，可以作為無紙記錄儀的理想存儲介質(zhì)。
無紙記錄儀文件系統(tǒng)要實現(xiàn)掉電不丟失數(shù)據(jù)，需要在硬件上提供掉電通知和掉電延遲時間，在接到掉電通知后，利用掉電延遲時間，將未保存的數(shù)據(jù)保存至文件系統(tǒng)中，同時加入有效的糾錯功能，才能保證文件系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
3.4 電子簽名技術(shù)及相關(guān)軟件
無紙記錄儀作為有紙記錄儀的替代者，通過良好的顯示界面和方便的操作特性基本上已經(jīng)將有紙記錄儀趕出了歷史舞臺。但是在食品加工和醫(yī)藥加工行業(yè)，由于文件防篡改和可追溯性的要求，有紙記錄儀尚有生存空間。
電子簽名，是解決無紙記錄儀記錄數(shù)據(jù)的可靠性的解決方案。所謂電子簽名，是指數(shù)據(jù)電文中以電子形式所含、所附用于識別簽名人身份并表明簽名人認可其中內(nèi)容的數(shù)據(jù)。美國的FDA使用21 CFR Part 11認證來確認電子記錄的有效性[5]，中國的GMP認證也將電子簽名作為電子記錄有效性的保證。
無紙記錄儀的電子簽名技術(shù)是食品和醫(yī)藥加工行業(yè)記錄數(shù)據(jù)電子化的必然選擇。
3.5 創(chuàng)新的儀表結(jié)構(gòu)與模塊化信號輸入輸出技術(shù)
目前的無紙記錄儀，信號輸入輸出板卡一般都內(nèi)置在儀表內(nèi)部。這樣的設(shè)計有幾個問題：
l 模擬信號經(jīng)過連接器多次轉(zhuǎn)接，精度受損，且容易受到干擾。
l 板卡損壞后更換不方便。
l 板卡數(shù)量受限。
l 儀表體積較大，安裝不方便。
將信號輸入輸出板卡模塊化后，模擬信號直接進入模塊，連接可靠，信號受干擾最少。同時由于信號模塊獨立，使得各種專用模塊（如高速信號采集、電量、化學電信號、加熱控制、運動控制等）同時與無紙記錄儀連接成為可能。
模塊與儀表之間可通過各種標準現(xiàn)場總線進行靈活連接，可支持多種安裝方式（如儀表裝在儀表柜面板上，模塊裝在導(dǎo)軌上）。由于模塊可以分離，使得儀表可連接的模塊數(shù)量可大幅增加，輸入信號數(shù)量不再受儀表體積限制。
未來，無紙記錄儀與PLC、DCS的硬件將趨于同質(zhì)化，他們之間的界限將變得模糊，用戶可以選用到更適合自己的產(chǎn)品。
3.6 高抗擾開關(guān)電源技術(shù)
模擬電源的高可靠性一直是開關(guān)電源不能比擬的，但開關(guān)電源的體積小、重量輕、效率高、運行溫度低、電壓適應(yīng)范圍寬等特性也十分突出。
工業(yè)現(xiàn)場對儀表的干擾主要是兩種：浪涌和群脈沖。其中群脈沖干擾儀表運行，而浪涌直接導(dǎo)致儀表損壞。目前，無紙記錄儀對群脈沖的干擾已經(jīng)基本克服，絕大多數(shù)場合下均能正常使用，而浪涌則一直是未能克服的障礙。
實現(xiàn)抗浪涌干擾的突破，對儀表的可靠性將有極大的提高。
4 結(jié)束語
無紙記錄儀作為一種傳統(tǒng)電子儀表，已經(jīng)經(jīng)歷了20年的風雨歷程，技術(shù)是無紙記錄儀產(chǎn)生、發(fā)展的源泉。緊跟技術(shù)發(fā)展的腳步，無紙記錄儀將始終在工業(yè)自動化領(lǐng)域占有一席之地！
