周校晨,陳圣儉,魏子杰

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京100072)

無(wú)線傳輸?shù)陌逍蝺x壓力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周校晨,陳圣儉,魏子杰

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京100072)

板形儀測(cè)量輥有多個(gè)測(cè)量區(qū),每個(gè)測(cè)量區(qū)等角度嵌有多個(gè)傳感器用于測(cè)量帶材的受壓狀況。采用接觸式連接的板形儀無(wú)法避免摩擦和磨損造成的波動(dòng)和干擾,出產(chǎn)的帶材質(zhì)量低、品質(zhì)差?；跓o(wú)線傳輸?shù)陌逍蝺x采用無(wú)線模塊,可以有效地解決摩擦磨損問(wèn)題。這套適用于板形儀的信號(hào)處理系統(tǒng)前端由調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)整流、濾波、解調(diào)和放大,再通過(guò)多個(gè)單片機(jī)主從式并行工作實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和處理。上位機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的最終處理,實(shí)現(xiàn)板形儀工作時(shí)的可視化監(jiān)視。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸和處理,出產(chǎn)的帶材品質(zhì)也有一定程度的提高。

無(wú)線傳輸;壓力測(cè)量系統(tǒng);MCU

引 言

傳統(tǒng)的板形儀[1]普遍采用接觸式連接,傳軋輥感器連接滑環(huán)軸上的導(dǎo)電中圈;板形儀工作時(shí)傳感器產(chǎn)生的電流經(jīng)導(dǎo)電中圈和柔性炭棒傳送到定子中的處理電路中,進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。傳感器受壓產(chǎn)生的電信號(hào)極為微弱,其在傳輸過(guò)程中對(duì)外部條件的要求極高,必須保證導(dǎo)電中圈和炭刷的潔凈、干燥和絕緣。但在工業(yè)軋制中,往往外部環(huán)境較為惡劣,加之軋輥?zhàn)陨碓谛D(zhuǎn)中存在振動(dòng),炭刷與導(dǎo)電中圈之間的摩擦生熱、摩擦磨損等因素會(huì)嚴(yán)重地影響板形儀板形控制的精度和穩(wěn)定性,影響生產(chǎn)帶材的品質(zhì)。故本文設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線傳輸?shù)陌逍蝺x壓力測(cè)量系統(tǒng),以改進(jìn)傳統(tǒng)板形儀有線連接的不足。壓力測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓力測(cè)量系統(tǒng)

整個(gè)無(wú)線信號(hào)處理系統(tǒng)按安裝位置的不同可分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分。轉(zhuǎn)子包含壓力測(cè)量模塊、調(diào)理模塊、多單片機(jī)系統(tǒng)和無(wú)線發(fā)射模塊。轉(zhuǎn)子固定在測(cè)量輥上,隨著輥體轉(zhuǎn)動(dòng)。定子由無(wú)線接收模塊和上位機(jī)組成,安置在軋機(jī)外部。

1 壓力測(cè)量模塊

壓力測(cè)量模塊以壓磁式傳感器[2]為核心部件。整個(gè)輥體等分為多個(gè)測(cè)量區(qū),每個(gè)環(huán)型測(cè)量區(qū)間隔90°鑲嵌一個(gè)壓力傳感器。壓磁式傳感器又稱為磁彈性力傳感器,其工作原理是根據(jù)磁致彈性效應(yīng),即磁鋼的磁致特性,根據(jù)所受外力大小變化而變換。當(dāng)工作時(shí),壓磁式傳感器受外力作用,根據(jù)受力大小產(chǎn)生相應(yīng)的磁力變化,并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出。壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、制造方便,能進(jìn)行大功率輸出,滿足板型測(cè)量的需求。

2 信號(hào)調(diào)理模塊

在板形儀系統(tǒng)中,壓磁式傳感器在受壓時(shí)輸出為毫伏級(jí)的微弱交流信號(hào),且其幅值的變化規(guī)律和其所受壓力的變化相對(duì)應(yīng),所以需要信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào),而后才能進(jìn)行相應(yīng)的處理。信號(hào)調(diào)理模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能有:①將傳感器真實(shí)的受力情況還原;②調(diào)零(由于在安裝傳感器時(shí),需要預(yù)壓力固定,這將導(dǎo)致系統(tǒng)的零點(diǎn)平移到一個(gè)非零的位置,因此需要將系統(tǒng)的零點(diǎn)與測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)校準(zhǔn));③其他基本功能。

2.1 解調(diào)放大電路

調(diào)制需要合適的載波信號(hào)和激勵(lì)源,在解調(diào)階段,需要同步參考信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)參照。綜合考慮各方面因素選擇正弦波信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)、載波和參考。本文設(shè)計(jì)了一套正弦波發(fā)生器[3],其核心為單片集成電路ICL8038波形發(fā)生器,由它再配合外圍元件構(gòu)成幅值可調(diào)、輸出頻率可調(diào)的發(fā)生器。由于該波形發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度較弱,帶載驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng),故需要信號(hào)放大電路協(xié)作,使其帶載驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到實(shí)驗(yàn)需要的范疇。放大電路以功率放大器TDA7294連接外圍元件實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)調(diào)理部分[4]以平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630為核心。由于傳感器給出的信號(hào)過(guò)于微弱,在給到AD630之前有必要對(duì)其做相應(yīng)的放大處理,使信號(hào)具有足夠的芯片驅(qū)動(dòng)能力。本實(shí)驗(yàn)采用鎖相放大處理來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大操作。這樣,在獲得傳感器受壓信息的同時(shí),能夠最大限度地消除噪聲干擾,使信號(hào)更加準(zhǔn)確。

2.2 基準(zhǔn)校準(zhǔn)電路

在部件中安裝的壓磁式傳感器受到的預(yù)壓力是不變的,因此設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)校準(zhǔn)電路針對(duì)的校準(zhǔn)對(duì)象同樣是一個(gè)固定大小的直流信號(hào)。在此校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)中,以運(yùn)算放大器搭建的加減法電路對(duì)信號(hào)的基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn),具體電路圖如圖2所示。

由圖2可知,補(bǔ)償電壓UB的范圍選擇為-5 V≤UB≤5 V即可,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置進(jìn)行補(bǔ)償電壓大小的調(diào)節(jié),可使壓磁式傳感器只受預(yù)壓力時(shí)UO=0 V。

圖2 基準(zhǔn)校準(zhǔn)電路

3 多單片機(jī)系統(tǒng)

多單片機(jī)協(xié)同工作[5]主要采用RAM共享法和總線共享法來(lái)實(shí)現(xiàn)并行通信。前者是設(shè)置一個(gè)RAM區(qū)供各單片機(jī)共同享用,每個(gè)單片機(jī)都有權(quán)利對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理,且每個(gè)單片機(jī)相互之間獨(dú)立,不互相影響,適合快速處理較大數(shù)據(jù)量的任務(wù);后者,各單片機(jī)共享一條總線,但同時(shí)至多只有一臺(tái)單片機(jī)有權(quán)占用總線,這種方式適合處理一次性大量數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。此外,主從式并行通信的方法也被廣泛使用。所謂主從式并行工作,就是多個(gè)單片機(jī)中,有一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)作為主單片機(jī),權(quán)力級(jí)別高于其他單片機(jī),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他單片機(jī)正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

在該信號(hào)處理系統(tǒng)中,多單片系統(tǒng)不僅要處理多個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù),還要有選擇地傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)(因?yàn)樗O(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)可以依照用戶要求選擇性地顯示重點(diǎn)通道數(shù)據(jù),而重點(diǎn)通道由用戶隨機(jī)選定)。這就要求設(shè)計(jì)的多單片機(jī)系統(tǒng)有一定的控制能力,故采用主從并行方式通信:選定一個(gè)主單片機(jī),該單片機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他從單片機(jī)工作,并依照上位機(jī)要求,選擇性地訪問(wèn)某個(gè)從單片機(jī),從單片機(jī)處理和傳輸數(shù)據(jù)。

選用MPC56F8013數(shù)字信號(hào)處理器,其是基于56800E核的16位高速數(shù)字信號(hào)處理器系列中的一員,運(yùn)算速度快、控制功能強(qiáng)、價(jià)格便宜,廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家電、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。MPC56F8013數(shù)字信號(hào)處理器包括16 KB的程序Flash和4 KB的統(tǒng)一數(shù)據(jù)/程序RAM,具有完整的可編程外設(shè)——PWM、ADCs、SCI、SPI、I2C、4通道定時(shí)器,可以支持各種各樣的應(yīng)用。選用ADCs功能,直接可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。此外,主從單片機(jī)的連接采用I2C總線連接,各從單片機(jī)之間可獨(dú)立工作。

3.1 從單片機(jī)的功能

從單片機(jī)群組主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采樣,并對(duì)采樣的信號(hào)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)之后,還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,取出一組數(shù)據(jù)中的最大值、最小值和均值,并將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)等待主單片機(jī)的讀取。

從流程上講,以一個(gè)從單片機(jī)為例,從單片機(jī)提取前端線路提供的模擬信號(hào),并通過(guò)自身攜帶的ADCs功能,將信號(hào)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的數(shù)字信號(hào);信號(hào)轉(zhuǎn)換完成之后,由該單片機(jī)處理,取出這些信號(hào)的最大值、最小值和均值;而后將處理完的信號(hào)按照I2C協(xié)議發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以等待主單片機(jī)的訪問(wèn)。

3.2 主單片機(jī)的功能

主單片機(jī)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)從單片機(jī)的有序工作。此外,主單片機(jī)還負(fù)責(zé)激活無(wú)線模塊向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。為了達(dá)到板形控制的目的,所設(shè)計(jì)的主單片機(jī)既可以顯示所有通道的數(shù)據(jù),又可以按照用戶要求,顯示重點(diǎn)通道的數(shù)據(jù)。這就要求主單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)有兩種工作模式:模式一,主單片機(jī)讀取從單片機(jī)所有通道數(shù)據(jù);模式二,主單片機(jī)讀取重點(diǎn)通道數(shù)據(jù),主單片機(jī)的工作模式是由上位機(jī)軟件控制選取。

主單片機(jī)工作流程:首先,在初始化完畢之后,主單片機(jī)要讀取目前上位機(jī)給出的工作模式設(shè)定。若是在正常的工作模式下,主單片機(jī)會(huì)無(wú)選擇地讀取所有緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī);但如果處于檢修的工作模式,主單片機(jī)會(huì)優(yōu)先讀取上位機(jī)設(shè)定的重點(diǎn)通道數(shù)據(jù),其次再讀取其他通道數(shù)據(jù),接著依次將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。與從單片機(jī)一樣,主單片機(jī)的工作與否也完全由上位機(jī)決定。

4 無(wú)線傳輸和上位機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用XL02-232AP1無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線收發(fā)功能。該模塊最大傳輸距離約300 m,可以完全滿足系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用要求,工作頻率、串口速率和頻率均可自行配置,參數(shù)設(shè)計(jì)方便快捷,并且支持UART協(xié)議、體積小、適用面廣。本系統(tǒng)選擇該模塊的原因主要有兩點(diǎn): XL02-232AP1模塊與單片機(jī)相連時(shí),只要是TTL電平,就可直接連接,這可以在單片機(jī)系統(tǒng)和無(wú)線模塊的協(xié)調(diào)配合上省去很多的工作量;該模塊的工作頻率、串口速率和頻率均可自行配置。采用本模塊后,無(wú)疑可增強(qiáng)整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的適用性。

上位機(jī)[6]軟件能通過(guò)以下途徑控制系統(tǒng):①系統(tǒng)初始化;②工作模式選擇;③重點(diǎn)監(jiān)視通道[7]的選定;④系統(tǒng)是否工作。上位機(jī)軟件功能流程圖如圖3所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)設(shè)計(jì)方案,結(jié)合前端完成的信號(hào)調(diào)理電路,實(shí)驗(yàn)用板型輥中安裝壓磁式測(cè)壓頭傳感器,按圖4所示搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),用以進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)。

圖3 上位機(jī)軟件功能流程圖

圖4 實(shí)物搭建

在試驗(yàn)系統(tǒng)的砝碼拉桿上依次加載砝碼,添加/取下砝碼的順序?yàn)?0.05 kg-10.05 kg-10.05 kg-5 kg-10.05 kg-10.05 kg-10.05 kg的順序,添加/取下砝碼后待系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定下來(lái)再讀取每次上位機(jī)系統(tǒng)中顯示的數(shù)值并記錄。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 添加/取下不同重量砝碼時(shí)的讀數(shù)數(shù)據(jù)

由表1可以得出,系統(tǒng)具有較高的精度,能夠滿足高精度板型檢測(cè)的需求。

[1]徐利璞,尤磊,王大號(hào).ABB板形儀在冷軋帶鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)冶金,2014,24(11):23-26.

[2]ABB官網(wǎng).ABB板型儀安裝、結(jié)構(gòu)、原理,2011.

[3]溫熙森,易曉山,徐永成,等.智能機(jī)內(nèi)測(cè)試?yán)碚撆c應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[4]王志穎.復(fù)雜裝備智能機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

[5]王新輝,王梓全,劉輝,等.多單片機(jī)協(xié)同工作方法研究及應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào).2012.26(2):26-28.

[6]呂振遼,羅浩,潘文才.冷連軋機(jī)軋制過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2013,24(1):39-41.

[7]張清東,陳先霖,何安瑞,等.冷軋寬帶鋼板形檢測(cè)與自動(dòng)控制[J].鋼鐵,1999,1(10):69-72.

周校晨(碩士)、魏子杰(博士):主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究;陳圣儉(教授),主要從事可檢測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、故障診斷等研究。

(責(zé)任編輯:楊迪娜 收修改稿日期:2016-05-03)

Shapemeter Pressure Measurement System Based on Wireless Transmission

Zhou Xiaochen,Chen Shenjian,Wei Zijie
(Control Enqineering Department,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

The flatness measurement roller has a plurality of measurement zones,each measuring zone equal angle is embedded with a plurality of sensors for measuring pressure status strip.Using the contact connector plate-shaped instrument can not avoid friction and fluctuation and interference caused by wear and tear,the strip produced by this device is of low quality and poor quality.The shapemeter based on wireless transmission using wireless module can effectively solve the problem of friction and wear.This signal processing system front-end of the shapemeter achieves the rectification,filtering,demodulation and amplification by the conditioning circuit.Then the signal transmission and processing is achieved by using multiple single microcomputer in parallel operation.The host computer is responsible for the final processing of the signal,and the visual monitoring of the shapemeter is realized.The experiment results prove that the system can achieve wireless transmission and processing of signals,so the strip quality also has a certain degree of improvement.

wireless transmission;pressure measurement systems;MCU

TP13

:A

國(guó)家級(jí)-國(guó)家自然科學(xué)基金(61179001)。