基于無(wú)線(xiàn)通信的預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)研究*

張 巍，周德儉，2，馮志君，周昊輝

(1．廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州 545006;2．桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

0 引言

預(yù)應(yīng)力張拉的主要方法之一，就是通過(guò)千斤頂拉緊預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)先給橋梁或構(gòu)件施加應(yīng)力，使橋梁或構(gòu)件產(chǎn)生向上的拱度，以提高橋梁或構(gòu)件的承受能力。國(guó)家對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉和預(yù)應(yīng)力筋的張拉過(guò)程都有相關(guān)規(guī)定和要求，要想使預(yù)應(yīng)力張拉達(dá)到相關(guān)規(guī)定和要求，預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制精度至關(guān)重要。張拉控制精度包括張拉過(guò)程中對(duì)張拉應(yīng)力、張拉伸長(zhǎng)量的控制精度，同時(shí)也包含兩端張拉時(shí)，兩端千斤頂?shù)膹埨?、持荷和卸載過(guò)程的同步精度。一旦預(yù)應(yīng)力張拉精度失控，輕則會(huì)引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錨固端的縱向裂紋、反拱過(guò)大，重則引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向裂縫、預(yù)應(yīng)力筋拉斷等事故［1-2］。

現(xiàn)階段太原理工大學(xué)和相關(guān)工程單位對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備都有一定的研究，所設(shè)計(jì)的張拉設(shè)備大都采用PLC或PC機(jī)作為張拉控制系統(tǒng)的主控制器，系統(tǒng)通過(guò)主控制器對(duì)兩端張拉設(shè)備進(jìn)行控制。然而這種方式只能保證預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力、張拉伸長(zhǎng)量的控制精度以及雙端張拉時(shí)起步階段的同步性，隨著張拉的進(jìn)行，兩端張拉設(shè)備的后期同步性將很難保持。對(duì)此，筆者設(shè)計(jì)一種基于nRF401無(wú)線(xiàn)通信模塊的預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ARM控制器、觸摸屏、顯示屏和nRF401無(wú)線(xiàn)模塊組成張拉控制系統(tǒng)的主控機(jī)，次控機(jī)則由AVR單片機(jī)控制板和nRF401無(wú)線(xiàn)模塊，電源模塊等構(gòu)成。使用該設(shè)備，技術(shù)人員只需要在觸摸屏上輸入張拉參數(shù)及控制命令，系統(tǒng)便由ARM控制器發(fā)出指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳遞到次控機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作;次控機(jī)采集到的張拉力和伸長(zhǎng)量通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳遞到主控機(jī)進(jìn)行顯示處理;同時(shí)在整個(gè)張拉過(guò)程中兩端張拉儀相互通信，進(jìn)行同步性判斷，若不同步則采取相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作使其同步。

1 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該張拉控制系統(tǒng)采用主、次控機(jī)體系結(jié)構(gòu)。如圖1所示，控制系統(tǒng)中的主控機(jī)通過(guò)nRF401無(wú)線(xiàn)模塊對(duì)兩端的次控機(jī)進(jìn)行控制，次控機(jī)接收到命令后，對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)命令、采集張拉數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街骺貦C(jī)處理顯示，同時(shí)次控機(jī)之間也可相互通信，用于張拉過(guò)程中的同步判斷。

1．1 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)主控機(jī)結(jié)構(gòu)

主控機(jī)在預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對(duì)兩端次控機(jī)進(jìn)行控制以及人機(jī)交互。用戶(hù)通過(guò)主控機(jī)選擇張拉控制命令和輸入張拉控制參數(shù)后，無(wú)線(xiàn)通信模塊將張拉控制命令和參數(shù)發(fā)送到兩端次控機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)的主次控制。同時(shí)主控機(jī)還接收來(lái)自次控機(jī)的張拉控制數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理顯示。如圖1所示為預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)主控機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，主要包括:主控芯片S3C2440、存儲(chǔ)器SDRAM和NandFlash、觸摸屏、顯示屏、電源模塊、打印接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口以及nRF401無(wú)線(xiàn)通信模塊接口。

1 ．2 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)次控機(jī)結(jié)構(gòu)

次控機(jī)作為整個(gè)張拉控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，在主控機(jī)與液壓系統(tǒng)之間起著承接作用。次控機(jī)接收主控機(jī)的控制命令，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制;同時(shí)次控機(jī)采集張拉千斤頂處傳感器信號(hào)，發(fā)送張拉數(shù)據(jù)到主控機(jī)。如圖1所示，次控機(jī)主要由AVR單片機(jī)中的 ATmega128芯片、LCD1602顯示屏、nRF401無(wú)線(xiàn)模塊接口、串口通信、電源模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路、傳感器等組成。

2 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)的控制方案

預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)控制方案主程序流程圖如圖2所示。用戶(hù)開(kāi)機(jī)后，在主控機(jī)上輸入張拉參數(shù)、選擇張拉命令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸?shù)酱慰貦C(jī)，控制次控機(jī)開(kāi)始工作;次控機(jī)首先獲取液壓系統(tǒng)的初始狀態(tài)，滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件則進(jìn)行分級(jí)加載，達(dá)到預(yù)應(yīng)力筋的初應(yīng)力后不斷進(jìn)行張拉數(shù)據(jù)的記錄和同步判斷，張拉繼續(xù)，直到達(dá)到張拉設(shè)定值再按要求持荷，最后回油卸載，張拉成功。整個(gè)張拉過(guò)程中，出現(xiàn)不符合條件的情況，都將進(jìn)行報(bào)警處理。

3 無(wú)線(xiàn)通信模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及同步實(shí)現(xiàn)

無(wú)線(xiàn)通信模塊作為張拉控制系統(tǒng)主次控制、張拉同步判斷實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵模塊。需要從無(wú)線(xiàn)模塊硬件設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)模塊軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行展開(kāi)研究。無(wú)線(xiàn)模塊軟件部分又包括無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送、接收程序，以及張拉同步判斷中斷子程序。

圖2 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)張拉主程序

3．1 無(wú)線(xiàn)通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信模塊選用的是nRF401芯片，nRF401是挪威NORDIC公司推出的半雙工單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體的芯片。該芯片采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，在一個(gè)20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等模塊。有工作頻率穩(wěn)定可靠，通信速率高，功耗低，可直接與單片機(jī)串口通信，無(wú)需復(fù)雜的曼徹斯特編碼，適合于便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)等特點(diǎn)［4］。圖3為nRF401無(wú)線(xiàn)模塊的電路原理圖，模塊引出五個(gè)引腳，分別為:VDD、GND、TXEN、PWR、DIN、DOUT、CS。TXEN為工作狀態(tài)控制引腳，為1時(shí)選擇發(fā)送模式，為0時(shí)選擇接收模式;PWR為節(jié)能控制引腳，為1時(shí)選擇工作狀態(tài)，為0時(shí)選擇待機(jī)微功耗狀態(tài);DIN數(shù)據(jù)輸入引腳;DOUT數(shù)據(jù)輸出引腳;CS頻道選擇引腳，為1選擇頻道2，為0選擇頻道1;VDD為無(wú)線(xiàn)模塊電源引腳，最小只需2．7 V的直流電壓;GND為無(wú)線(xiàn)模塊的電源地引腳。

圖3 nRF401無(wú)線(xiàn)模塊電路原理圖

3 ．2 無(wú)線(xiàn)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

3．2．1 無(wú)線(xiàn)通信模塊收發(fā)程序設(shè)計(jì)

張拉控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)主次模式的無(wú)線(xiàn)控制除了需要無(wú)線(xiàn)模塊的硬件支持，另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于無(wú)線(xiàn)模塊收發(fā)程序的設(shè)計(jì)。無(wú)論是主、次控制還是次控機(jī)間的通信都是建立在無(wú)線(xiàn)模塊的收發(fā)程序基礎(chǔ)上。如圖4所示，無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)送程序基本流程為:主控機(jī)首先向所有次控機(jī)發(fā)送地址幀對(duì)通信的次控機(jī)進(jìn)行呼叫，并等待。發(fā)送地址后，主控機(jī)接受應(yīng)答，如果應(yīng)答信號(hào)中的地址與前面發(fā)送的地址不相同，主控機(jī)將重新發(fā)送址幀呼叫，如果相同，則發(fā)送命令幀，接受命令應(yīng)答幀。無(wú)線(xiàn)模塊的接受程序基本流程為:次控機(jī)首先處于接受等待狀態(tài)，接受主控機(jī)發(fā)送的地址幀與自己的ID地址進(jìn)行比較。若相同則發(fā)送地址應(yīng)答幀，接受命令幀，調(diào)用命令子程序;若不同，則重新進(jìn)入接受狀態(tài)，接收地址幀［5］。

圖4 無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送、接收程序流程

3．2．2 無(wú)線(xiàn)通信模塊張拉同步實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)已經(jīng)不需要像傳統(tǒng)張拉控制那樣通過(guò)喊話(huà)或吹口哨同步啟動(dòng)兩端張拉控制，保證張拉系統(tǒng)起步階段的同步性。但隨著張拉的進(jìn)行，兩端張拉又會(huì)出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，這同樣會(huì)影響張拉筋的張拉質(zhì)量。本控制系統(tǒng)在保證張拉系統(tǒng)同步啟動(dòng)的同時(shí)，利用兩端次控機(jī)在張拉過(guò)程中相互通信的方式進(jìn)行張拉同步判斷。具體實(shí)施方案為:選用兩端次控機(jī)中的一端作為同步判斷的主控端，當(dāng)主控端張拉達(dá)到初應(yīng)力之后進(jìn)行短暫停頓，開(kāi)啟中斷，每隔2 min調(diào)用一次同步判斷子程序直至達(dá)到張拉預(yù)設(shè)值。如圖5所示，在無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送、接收程序及通信協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了張拉同步判斷中斷子程序。同步判斷子程序開(kāi)始執(zhí)行后，主控端通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送同步判斷請(qǐng)求，另一端接收到命令后發(fā)送預(yù)應(yīng)力筋的張拉壓力和位移到主控端，主控端將其和自身張拉數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果兩端張拉的壓力和位移相差超過(guò)2%或5 mm，則數(shù)據(jù)大的一段保持原有張拉速度，而另一端則加大張拉速度直至兩端張拉達(dá)到同步要求，再返回主程序繼續(xù)張拉［3］。

圖5 張拉同步判斷中斷子程序

4 結(jié)語(yǔ)

本預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)采用ARM控制器作為主控機(jī)、AVR單片機(jī)作為次控機(jī)。利用nRF401無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)主控機(jī)對(duì)兩端次控機(jī)的控制、兩端次控機(jī)向主控機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸，以及兩端次控機(jī)在張拉過(guò)程中通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)張拉同步性的判斷。采用本系統(tǒng)的控制方案在保證張拉精度的同時(shí)，也能夠進(jìn)一步解決兩端張拉同步性問(wèn)題。

［1］ 郝志紅．全自動(dòng)預(yù)應(yīng)力張拉儀的研究［D］．太原:太原理工大學(xué)，2007．

［2］ 蒙志強(qiáng)．基于A(yíng)RM的軌枕張拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(18):182-184．

［3］ 梁曉東．智能型同步預(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)的研制［J］．中外公路，2013，33(5):106-107．

［4］ 張 ?。畁RF401在多路無(wú)線(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2005，27(12):509．

［5］ 陳 然．汽車(chē)輪胎檢測(cè)及控制系統(tǒng)的研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2005．