廖海軍，靖永志，何 飛

(1.磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室，成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031)

表1 LabVIEW與間隙傳感器間通信協(xié)議

基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統(tǒng)設(shè)計

廖海軍1,2，靖永志1,2，何 飛1,2

(1.磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室，成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031)

針對磁浮車間隙傳感器工作環(huán)境惡劣需要頻繁地測試與維護的問題，應(yīng)用無線通訊技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)，設(shè)計了一種基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)在原有磁浮車間隙傳感器的基礎(chǔ)上增加WiFi模塊使傳感器具有無線通訊功能，采用具有WiFi通訊功能的便攜式PC機作為系統(tǒng)的監(jiān)控終端，利用圖形化編程語言LabVIEW編寫監(jiān)控終端的人機交互界面;測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、操作簡便，實現(xiàn)了對間隙傳感器特性的無線測試、存儲、分析和非線性校正，非線性校正后的間隙傳感器具有良好的線性特性，其輸入輸出特性達到了磁浮車懸浮控制系統(tǒng)的要求，可用于懸浮控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

磁浮車；間隙傳感器；WiFi；無線通訊；LabVIEW；非線性校正

0 引言

懸浮間隙傳感器是磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的重要組成部分，它將采集到的懸浮間隙大小變換為電信號提供給懸浮控制器，懸浮控制器通過調(diào)整電磁鐵線圈中的電流大小使軌道與懸浮電磁鐵之間的間隙保持在10 mm左右[1]。懸浮控制系統(tǒng)要求傳感器在0～20 mm范圍內(nèi)都保持較好的線性特性，然而傳感器原始特性曲線常常呈現(xiàn)出非線性或者只在小范圍內(nèi)具有線性特性，同時傳感器安裝于列車底部，工作環(huán)境惡劣，需要經(jīng)常對傳感器進行性能測試與維護。WiFi是一種高頻無線電信號，具有傳輸速度快抗干擾強的優(yōu)點，隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器檢測技術(shù)在不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文獻[2]將WiFi技術(shù)應(yīng)用到煤礦井的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測中，文獻[3]在嵌入式視頻采集中采用WiFi技術(shù)取得了不錯的效果。LabVIEW即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，使用LabVIEW功能強大的圖形編程語言能夠大大縮短編程周期，文獻[4-5]利用LabVIEW在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和鋼軌打磨試驗臺測控系統(tǒng)中實現(xiàn)了監(jiān)控終端人機交互界面的設(shè)計，達到了實時采集、直觀顯示采樣數(shù)據(jù)的要求。本文將WiFi技術(shù)與LabVIEW應(yīng)用到磁浮車間隙傳感器的測試中，設(shè)計了一種基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對磁浮車間隙傳感器特性測試及非線性校正。

1 測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計

磁浮車間隙傳感器測試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)控終端PC機、間隙傳感器和電機驅(qū)動部件構(gòu)成。監(jiān)控終端PC機具有無線WiFi通訊模塊，主要實現(xiàn)人機接口與無線通訊功能；間隙傳感器主要由WiFi模塊和DSP控制單元組成。當(dāng)執(zhí)行特性測試時，PC機通過WiFi發(fā)送測試命令給DSP，DSP控制步進電機驅(qū)動傳感器探頭均勻地移動，探頭檢測間隙的大小并通過信號調(diào)理單元將表征間隙大小的電壓信號送給DSP進行A/D轉(zhuǎn)換，DSP將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過WiFi發(fā)送給PC機，在監(jiān)控終端的LabVIEW界面中繪制傳感器原始特性曲線并將數(shù)據(jù)保存；當(dāng)執(zhí)行校正時，監(jiān)控終端發(fā)送校正命令及校正參數(shù)給DSP，傳感器更新非線性校正參數(shù)，再次測試，LabVIEW顯示校正過后的特性曲線。

圖1 磁浮車間隙傳感器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 間隙傳感器硬件設(shè)計

間隙傳感器采用DSP作為核心處理器，主要實現(xiàn)信號采集與處理、電機驅(qū)動控制、非線性校正等功能，同時DSP通過WiFi模塊與監(jiān)控終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)與命令的雙向無線傳輸。

2.1 DSP控制單元

DSP在數(shù)據(jù)處理和電機控制方面應(yīng)用廣泛，選用TI公司的TMS320F28335作為核心處理器，28335是一種浮點型處理器，具有運算精度高的特點[6]。TMS320F28335片內(nèi)集成2組8通道12位的ADC，在精度和采樣速度要求不是很高的情況下片內(nèi)ADC模塊完全能勝任，由于DSP的輸入電平不能超過3.3 V，在進行A/D轉(zhuǎn)換之前需要加入相應(yīng)的調(diào)理電路，信號經(jīng)調(diào)理之后方可接入DSP，DSP的SCI是具有接收和發(fā)送兩根信號線的異步串口，實現(xiàn)與監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)通訊。

DSP主要實現(xiàn)步進電機控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、更新校正參數(shù)和通訊控制等任務(wù)，DSP通過接收監(jiān)控終端的命令判斷要進入的工作狀態(tài)。DSP的工作流程如圖2所示，當(dāng)接收到特性測試命令時，DSP先控制電機將傳感器探頭調(diào)至0 mm處，然后控制探頭從0 mm開始每0.1 mm均勻移動直到20 mm，探頭檢測間隙的大小并通過信號調(diào)理單元將表征間隙大小的電壓信號送給DSP進行A/D轉(zhuǎn)換，DSP將對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)間隙的數(shù)字量發(fā)送給監(jiān)控終端；當(dāng)DSP接收到校正命令時，DSP接收監(jiān)控終端發(fā)來的校正參數(shù)進并行參數(shù)更新；再次測試時DSP將校正后的結(jié)果輸出。

圖2 DSP工作流程圖

2.2 WiFi模塊與DSP接口

WiFi技術(shù)在無線通訊領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，WiFi模塊是一種基于Uart與Spi接口的符合無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，模塊內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b/g/n協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備也能輕松接入無線WiFi網(wǎng)絡(luò)[7]。WiFi模塊可以配置為AP-Server/Client模式或者STA-Server/Client模式，目前絕大多數(shù)便攜式PC機都內(nèi)置WiFi模塊，這使得PC機可以方便連入WiFi網(wǎng)絡(luò)，本文將WiFi模塊配置為AP-Server模式，監(jiān)控終端可直接連入WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)與間隙傳感器通信。

TMS320F28335的SCI串行通信TXD/RXD管腳電平與WiFi模塊的UART_RXD/UART_TXD管腳電平都為3.3 VTTL電平，故不需要額外的電平轉(zhuǎn)換芯片，按照收/發(fā)、發(fā)/收的原則相連即可，DSP串口轉(zhuǎn)WiFi通訊時的電路連接如圖3所示，nReload與nRset為模塊的重啟與復(fù)位引腳，均為低電平有效，分別接5～10 K的上拉電阻。

圖3 DSP與WiFi模塊電路連接圖

3 LabVIEW監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控終端采用LabVIEW進行開發(fā)，LabVIEW采用獨特的圖形化G語言編程模式，能極大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。LabVIEW內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，通過調(diào)用TCP協(xié)議函數(shù)中的打開TCP連接、寫入TCP數(shù)據(jù)、讀取TCP數(shù)據(jù)等相關(guān)函數(shù)即可方便寫入和讀取數(shù)據(jù)[8]。調(diào)用打開TCP連接函數(shù)建立監(jiān)控終端與間隙傳感器間的通信，同時由于在0 mm與20 mm處安裝有限位裝置，調(diào)用讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)讀取限位裝置的狀態(tài)，程序框圖如圖4所示。編寫程序之前需設(shè)計LabVIEW與間隙傳感器之間的通信協(xié)議，即控制電機正反轉(zhuǎn)、停止指令的協(xié)議，DSP串行通信數(shù)據(jù)寬度為8位，由于該系統(tǒng)電機控制指令較少,使用數(shù)據(jù)的低2位即可滿足要求，通信協(xié)議如表1所示，當(dāng)觸發(fā)0 mm限位裝置時LabVIEW自動發(fā)02(反轉(zhuǎn))指令，觸發(fā)20 mm限位裝置時發(fā)03(停止)指令，電機控制部分的程序如圖5所示。

圖4 限位裝置狀態(tài)讀取程序框圖

表1 LabVIEW與間隙傳感器間通信協(xié)議

數(shù)據(jù)低2位(二進制)電機控制LabVIEW指令(十六進制)00無效指令無01正轉(zhuǎn)(向下)0110反轉(zhuǎn)(向上)0211電機停止03

圖5 電機控制程序框圖

LabVIEW程序工作流程如圖6所示，系統(tǒng)啟動時輸入WiFi模塊的IP地址與端口號并建立監(jiān)控終端與傳感器之間的連接。點擊開始測試按鈕，寫入TCP數(shù)據(jù)函數(shù)將測試模式命令通過WiFi發(fā)送給傳感器的DSP控制單元，DSP運行測試模式程序并向監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)，LabVIEW通過讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)來讀取DSP發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時將接收的數(shù)據(jù)波形繪制在人機界面中，點擊數(shù)據(jù)保存按鈕可將傳感器特性數(shù)據(jù)存儲在本地文件中；點擊校正傳感器按鈕，LabVIEW將校正模式的指令和校正參數(shù)發(fā)送給DSP控制單元，點擊開始測試按鈕采集非線性校正后的傳感器特性數(shù)據(jù)。

圖6 LabVIEW程序基本流程

4 實驗驗證

將WiFi模塊配置在AP模式，配置模塊IP地址為10.10.100.254，端口號為8899，運行監(jiān)控終端軟件點擊連接至傳感器建立連接，點擊開始測試，PC機發(fā)送測試命令，DSP先控制電機將傳感器探頭調(diào)至0 mm，然后從0 mm至20 mm采集間隙傳感器的原始特性并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，監(jiān)控程序接收數(shù)據(jù)并繪制特性曲線，測試結(jié)果如圖7所示,圖形的橫坐標(biāo)為實際氣隙值，縱坐標(biāo)為DSP的A/D模塊數(shù)字量輸出。

圖7 傳感器原始特性曲線

假設(shè)傳感器的輸入輸出特性滿足函數(shù)y=f(d)，d為實際氣隙值，y為A/D輸出，由圖7可以看出y為d的非線性函數(shù)，只有通過非線性校正環(huán)節(jié)改善其輸入輸出特性才能用于懸浮控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，點擊校正傳感器按鈕，程序通過WiFi將校正參數(shù)下發(fā)給DSP，DSP更新非線性校正環(huán)節(jié)中的參數(shù)。重新采集0～20 mm數(shù)據(jù)，傳感器輸出非線性校正后的間隙值，其測試結(jié)果如圖8所示，經(jīng)非線性校正環(huán)節(jié)之后，縱坐標(biāo)為傳感器的模擬量輸出，曲線的增益和偏置幾乎嚴(yán)格接近于1，可見經(jīng)校正后傳感器的輸入輸出保持嚴(yán)格的線性特性，系統(tǒng)實現(xiàn)了對磁浮車間隙傳感器特性的無線測試和非線性校正，達到了磁浮車懸浮控制系統(tǒng)的要求，可將輸入輸出特性應(yīng)用于懸浮控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖8 校正后傳感器特性曲線

5 結(jié)束語

本文將LabVIEW與WiFi無線通訊技術(shù)結(jié)合，用于磁浮列車間隙傳感器的測試，所設(shè)計的測試系統(tǒng)具有操作簡便、無線通訊和自動化程度高的特點，利用友好的人機界面可較好的實現(xiàn)磁浮列車間隙傳感器的無線測試和非線性校正功能，經(jīng)測試系統(tǒng)校正后傳感器具有良好的線性特性。

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Design of Test System for Maglev Train Gap Sensor Based on WiFi Communication

Liao Haijun1,2, Jing Yongzhi1,2,He Fei1,2

(1.Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle, Ministry of Education, Chengdu 610031, China;2.School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Aiming at the problem of frequent test and maintenance on gap sensor of Maglev train, using wireless communication technology, virtual instrument technology, digtal signal processing technology, a test system based on WiFi communication was designed, Wireless communication was realized by adding a WiFi module to the gap sensor in this system. PC with WiFi communication function was adopted as monitoring terminal and the man-machine interface was programed by LabVIEW. The test result shows that the system is stable, reliable and easy to handle. The system can realize the wireless test,storage,analysis and non-linear correction on gap sensor. The linearity of the calibrated gap sensor can meet the requirement of the suspension control system and it can be used in the closed-loop control of the suspension control system.

maglev train; gap sensor ; WiFi ; wireless communication; LabVIEW; non-linear correction

2016-11-05；

2016-11-28。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51377004)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2682015CX029)。

廖海軍(1993-),男，重慶奉節(jié)人，碩士研究生，主要從事磁浮列車和傳感器技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)04-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.006

TP212;TP274.2

A