基于跳頻機(jī)制的沖床遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)

于 瑋，管圖華

（南通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，南通 226019）

0 引言

沖壓成形技術(shù)在制造業(yè)中占有重要地位，特別是在汽車、船舶、航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，企業(yè)對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備提出了新的要求。市面上的沖床檢測(cè)裝置大多功能單一、價(jià)格昂貴，并且遠(yuǎn)程監(jiān)控比較困難。針對(duì)上述問題，本文介紹了一種具有無線通信功能的沖床遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

沖床遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)主要包括沖壓檢測(cè)與信息上傳兩個(gè)部分，其工作原理如圖1所示。料帶由輥式機(jī)構(gòu)向前傳送，電機(jī)M1控制放料，放料速度由緩沖區(qū)的上下限觸點(diǎn)調(diào)節(jié)，料帶經(jīng)跑偏檢測(cè)再送入模具內(nèi)完成沖壓，一旦檢測(cè)到模內(nèi)殘余物料則發(fā)出警報(bào)。加工后的成型件從滑槽送出，余料被自動(dòng)收卷（電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)），收料速度的控制過程與放料類似。加工過程中，安全距離檢測(cè)器持續(xù)工作，以防過分靠近而導(dǎo)致機(jī)械傷人。所有警報(bào)均會(huì)觸發(fā)沖床緊急制動(dòng)。一個(gè)周期內(nèi)所有狀態(tài)收集完成后，數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)器無線傳輸至終端主機(jī)，交由管理員處理。無線通信技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的合理應(yīng)用有利于提高生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)視的沖床狀態(tài)信息類型雖然以開關(guān)量為主，但任務(wù)較多，包括系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理、檢測(cè)電路的信息處理、通信模塊的配置等，故選用16位低功耗單片機(jī)MSP430F155作為主控芯片。送料、收料電機(jī)均由驅(qū)動(dòng)器控制，當(dāng)料帶行進(jìn)放緩致使自身拱起與上下限金屬觸點(diǎn)接觸時(shí)形成導(dǎo)通回路，從而觸發(fā)電機(jī)動(dòng)作。安全距離檢測(cè)的核心是多個(gè)紅外線光電開關(guān)，可以根據(jù)防護(hù)等級(jí)調(diào)整其安置的密集程度。料帶兩端夾有帶滾輪的限位開關(guān)，用于跑偏檢測(cè)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過程中料帶畸變。飛輪轉(zhuǎn)速測(cè)量與落料計(jì)數(shù)共用一個(gè)檢測(cè)單元，采用CS3040型霍爾傳感器來檢測(cè)預(yù)先安裝在沖床飛輪上的小型磁鋼，傳感器將接收到的磁場強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電路放大、整形后，將脈沖信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 沖床遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)工作原理

模內(nèi)殘余物料檢測(cè)作為沖壓檢測(cè)中的重要一環(huán)，可以有效降低次品率。檢測(cè)原理如圖2所示，在下模側(cè)面安裝一個(gè)檢測(cè)距離在1.5mm內(nèi)的歐姆龍接近開關(guān)，上模的相應(yīng)位置安裝一個(gè)用于檢測(cè)的角鐵，以確保開關(guān)在模具閉合的瞬間動(dòng)作。若模內(nèi)有余料，則模具閉合時(shí)，接近開關(guān)與上模角鐵之間的距離大于其檢測(cè)距離，此時(shí)開關(guān)不動(dòng)作，如圖2（b）所示。為了配合模具至下死點(diǎn)時(shí)的檢測(cè)，在模具的另一側(cè)垂直方向上又安裝了兩個(gè)CHE12-4PA-A710型接近開關(guān)，如圖2（a）所示，當(dāng)上模到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，側(cè)面的兩個(gè)接近開關(guān)均不工作；隨著上模逐步下壓，上面的S2傳感器先檢測(cè)到模具的到來，之后檢測(cè)出兩個(gè)傳感器同時(shí)動(dòng)作；反之，在上模抬起過程中，下面的S3接近開關(guān)先復(fù)位，上面的后復(fù)位，據(jù)此可以判別沖模何時(shí)上行何時(shí)下壓。在上模下壓過程中，當(dāng)側(cè)面兩個(gè)限位開關(guān)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，開始判別模具內(nèi)是否存在殘余物料，若此時(shí)S1動(dòng)作，則沖壓正常，反正，說明模內(nèi)存在廢料，需停機(jī)清理。對(duì)于其他外圍檢測(cè)電路而言，沖床的所有狀態(tài)均通過指示燈指示，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障，則通過繼電器控制沖床緊急制動(dòng)。

圖2 模內(nèi)殘余物料檢測(cè)原理

所有信息采集完畢以后，需通過無線的方式向監(jiān)控主機(jī)上傳。工廠的生產(chǎn)車間往往伴隨著諸多電磁干擾，這對(duì)于無線通信的穩(wěn)定性提出了更高要求。將跳頻機(jī)制融入通信過程，能有效改善通信質(zhì)量。一方面，跳頻通信是根據(jù)設(shè)定的頻率列表進(jìn)行頻移鍵控，中途截獲較為困難；另一方面，即便部分的工作頻點(diǎn)受到干擾，系統(tǒng)還可以跳入其余未受干擾的頻點(diǎn)繼續(xù)通信[2]。

采用高度集成的nRF905射頻收發(fā)器進(jìn)行通信，其外接電路少，資源配置方便，并可以在433/868/915MHz這三個(gè)ISM頻段內(nèi)工作，支持動(dòng)態(tài)載波頻率設(shè)置，為跳頻通信提供了硬件基礎(chǔ)。綜合天線等因素，將基準(zhǔn)設(shè)定為433MHz頻段，通過巴倫電路對(duì)nRF905的差分輸出端特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，并與高增益單端天線連接。部分硬件功能采用軟件方法實(shí)現(xiàn)，以簡化電路設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)升級(jí)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是建立無線通信的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)的通信核心是nRF905射頻收發(fā)器。無線傳輸之前，單片機(jī)通過SPI接口對(duì)nRF905的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，同時(shí)改變PWR_UP、TRX_CE和TX_EN這3個(gè)引腳的高低電位來選擇芯片的工作模式。在無線傳輸過程中，單片機(jī)通過nRF905的CD、AM、DR這三個(gè)引腳，分別進(jìn)行載波偵聽、地址匹配、數(shù)據(jù)就緒的檢測(cè)工作。nRF905內(nèi)部集成了用于曼徹斯特編/解碼的硬件電路，因此在無線收發(fā)過程中，省去了繁瑣的軟件編程，控制器效率大幅提高。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

圖3 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的流程圖

如圖3（a）所示，一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送流程可描述為：單片機(jī)通過SPI總線將目標(biāo)地址和待傳數(shù)據(jù)寫入nRF905的發(fā)送寄存器；隨后將TRX_CE和TX_EN兩個(gè)引腳置位，激活芯片的發(fā)送模式，以完成信息打包與發(fā)送；在此之后若查詢到DR引腳被置位，則表示發(fā)送成功，若寄存器中的重發(fā)位被置位，芯片將自動(dòng)重發(fā)，直到TRX_CE引腳狀態(tài)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)才結(jié)束發(fā)送；傳完一幀數(shù)據(jù)后，nRF905進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一個(gè)喚醒指令。

圖3（b）是一幀數(shù)據(jù)的接收流程，nRF905在接收模式下偵聽信道，若監(jiān)聽到的載波信號(hào)相符且地址有效，則CD和AM引腳的電位被置高，進(jìn)而開始接收數(shù)據(jù)。若信息校驗(yàn)無誤，則片內(nèi)硬件將自動(dòng)刪除數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、校驗(yàn)碼等信息，并在待機(jī)模式下通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

3.2 跳頻機(jī)制下的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

研究點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸?shù)淖罱K目標(biāo)是組成射頻網(wǎng)絡(luò)，便于設(shè)備的集中監(jiān)視和管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)源節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)安裝在對(duì)應(yīng)的沖床上用于檢測(cè)狀態(tài)信息并向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以輪詢的方式接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過RS232串行總線匯總到監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，這樣就形成了一個(gè)星型網(wǎng)路。

3.2.1 通信頻段的設(shè)定

利用nRF905射頻芯片實(shí)現(xiàn)跳頻，需要對(duì)射頻配置寄存器中CH_NO和HFREQ_PLL這兩個(gè)變量的數(shù)值進(jìn)行修改，當(dāng)前工作頻率的計(jì)算公式為[3]：

其中，HFREQ_PLL為頻率設(shè)置位，置0表示模塊工作于433MHz頻段，置1表示模塊工作于868/915MHz頻段。通道號(hào)CH_NO的數(shù)值產(chǎn)生于0~511之間，即相鄰頻道間的頻差為100kHz。本系統(tǒng)的頻率設(shè)置位為0，即工作于433MHz頻段，因此可以在422.4MHz～473.5MHz頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跳頻。以5MHz為間距，將423MHz~443MHz頻率范圍劃分為5個(gè)通信信道，并將423MHz頻道專門用于通信雙方“握手”的實(shí)現(xiàn)，其余4個(gè)頻道傳輸數(shù)據(jù)。

3.2.2 幀格式的定義

為了避免信道堵塞，采用RTS/CTS握手協(xié)議[4]，相應(yīng)地將信道劃分成握手信道與數(shù)據(jù)信道，命令幀RTS與CTS在握手信道傳輸，數(shù)據(jù)幀DATA與反饋幀ACK在數(shù)據(jù)信道傳輸。通信開始前都要先預(yù)約信道，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)返回應(yīng)答信號(hào)ACK后，再繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，若對(duì)方無應(yīng)答，則取消本次會(huì)話。

系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，前導(dǎo)碼及校驗(yàn)碼由硬件產(chǎn)生，以甄別數(shù)據(jù)完整性。ID號(hào)是4字節(jié)的地址信息，用于身份標(biāo)識(shí)，幀類型與命令代碼用于區(qū)分幀的類別。與數(shù)據(jù)幀相比，命令幀中不包含數(shù)據(jù)信息，但增加了頻道選擇“CH_SEL”字段，用于頻率跳轉(zhuǎn)，同時(shí)保證通信節(jié)點(diǎn)彼此間的頻率同步。

表1 系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)幀格式

3.2.3 握手協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

通信開始前，各射頻源節(jié)點(diǎn)在握手頻道上保持監(jiān)聽，競爭信道使用權(quán)，若出現(xiàn)空閑信道，便開始向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS命令幀，請(qǐng)求發(fā)送信息。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS命令幀，允許對(duì)方發(fā)送，同時(shí)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入對(duì)方請(qǐng)求的數(shù)據(jù)信道，等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)確認(rèn)收到CTS幀后，切換至相同的數(shù)據(jù)信道，開始向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)；若源節(jié)點(diǎn)未收到CTS幀，則返回握手信道，延遲后重新發(fā)送會(huì)話請(qǐng)求。完成接收后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)信號(hào)ACK。若源節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答幀，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，本次會(huì)話結(jié)束；若源節(jié)點(diǎn)未收到應(yīng)答，且累計(jì)重發(fā)次數(shù)未達(dá)5次，則重新發(fā)送該幀數(shù)據(jù)；若重發(fā)次數(shù)達(dá)到5次，則修改頻道選擇位CH_SEL的數(shù)值，嘗試在下一頻道傳輸數(shù)據(jù)。源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)跳頻流程如圖4所示。

圖4 跳頻流程圖

圖4中，頻道選擇位CH_SEL的數(shù)值按照通信頻段的高低順序循環(huán)交替，跳轉(zhuǎn)到最高頻點(diǎn)再跳變一次將回到最低頻點(diǎn)，該動(dòng)態(tài)過程可表述為：428M Hz→433MHz→438MHz→443MHz→428MHz。因?yàn)樘l表中相鄰頻點(diǎn)的間隔為5MHz，所以信道在跳轉(zhuǎn)以后與干擾頻點(diǎn)的最大間距可以達(dá)到15MHz。在沒有人為干擾的情況下，工業(yè)噪聲往往僅存在于某些特定的頻點(diǎn)，以上4個(gè)通信頻段中均存在較大噪音的可能性較小，因此這種跳頻機(jī)制有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4 試驗(yàn)與分析

啟動(dòng)由LabVIEW8.6編寫的上位機(jī)界面，可以同時(shí)監(jiān)視4臺(tái)沖床的工作狀態(tài)。試驗(yàn)過程中，1號(hào)沖床正常運(yùn)行，2號(hào)沖床運(yùn)行時(shí)用紙板靠近其左側(cè)，3號(hào)沖床模擬料帶卷曲畸變的情況，4號(hào)監(jiān)視窗口關(guān)閉。監(jiān)視界面如圖5所示，顯示窗口中的檢測(cè)信息、報(bào)警次數(shù)、落料個(gè)數(shù)均一目了然。報(bào)警信息還將存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)對(duì)沖床性能作進(jìn)一步評(píng)估。

圖5 上位機(jī)監(jiān)視界面

該沖床無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于星型結(jié)構(gòu)，其整體性能和覆蓋范圍受到點(diǎn)到點(diǎn)之間通信質(zhì)量及通信距離的影響。在空地中相隔40m處進(jìn)行兩點(diǎn)間的收發(fā)測(cè)試，分別進(jìn)行跳頻數(shù)據(jù)傳輸和定頻數(shù)據(jù)傳輸，中點(diǎn)處放置一個(gè)用其他源節(jié)點(diǎn)改造的干擾源，發(fā)射功率10mW，工作頻率為433MHz。結(jié)果顯示，在干擾源關(guān)閉的情況下，兩種通信方式的平均誤碼率都維持在0.03%；啟動(dòng)干擾源后，跳頻通信的誤碼率依然不到0.04%，浮動(dòng)較小，而定頻傳輸?shù)恼`碼率已經(jīng)升至0.67%。一旦提高干擾源的發(fā)射功率，跳頻通信的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)間的通信距離而言，一般認(rèn)為與電磁波傳播損耗、工作頻率等因素有關(guān)[5]。自由空間中，無線電波傳輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式如下：

式中Los代表傳播損耗，d為傳播距離，f為工作頻率。已知nRF905的最大發(fā)射功率為+10dBm，接收靈敏度為-100dBm，取外界干擾引起的平均損耗值25dB，則求得通信距離為980m。根據(jù)之前的試驗(yàn)，同樣僅啟動(dòng)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，測(cè)得的有效通信距離約200m。之所以與估算結(jié)果有較大差距，是因?yàn)獒槍?duì)特定的天線，射頻電路僅在固定頻率體現(xiàn)出最佳性能，即在該頻點(diǎn)處發(fā)生諧振。由于跳頻系統(tǒng)涉及到多個(gè)頻點(diǎn)，必然會(huì)在一定程度上犧牲通信距離，這正是權(quán)衡通信質(zhì)量與通信距離兩者之后折中的結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合nRF905射頻芯片的硬件特點(diǎn)，提出了一種低成本的跳頻解決方案，并將其成功運(yùn)用于沖壓生產(chǎn)的自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域。不僅節(jié)約了企業(yè)的人力資源和布線成本，還提升的加工過程中的監(jiān)管效率。測(cè)試結(jié)果表明，采用跳頻策略，可以有效的繞開干擾頻率，保證了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信，可以滿足企業(yè)生產(chǎn)車間的使用需求。該系統(tǒng)已經(jīng)與南通嘉和機(jī)電有限公司達(dá)成初步合作意向，其中的設(shè)計(jì)思路對(duì)于其他機(jī)械加工的生產(chǎn)領(lǐng)域也有一定的參考價(jià)值。

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