基于無線通信的接觸式帶鋼板形信號采集系統(tǒng)研制

任哲平，牛春平

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

基于無線通信的接觸式帶鋼板形信號采集系統(tǒng)研制

任哲平，牛春平

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

針對滑環(huán)結(jié)構(gòu)的接觸式板形測試儀存在的不足，采用無線通信方式，研制了多單片機系統(tǒng)的嵌入式板形信號采集系統(tǒng)，通過光電接近開關(guān)的合理安裝設(shè)計，巧妙解決了檢測輥正反轉(zhuǎn)時的信號采集和每組4個傳感器信號區(qū)分問題，并給出了I2C總線系統(tǒng)中主、從單片機的流程；現(xiàn)場試驗表明，在傳感器為30組，檢測輥10圈／秒轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率均可滿足板形閉環(huán)控制的要求。

板形儀；信號采集；無線通信

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，帶鋼板形質(zhì)量的要求越來越高。板形檢測儀是帶鋼生產(chǎn)中，實現(xiàn)板形質(zhì)量控制的基本前提［1－2］。當前，基于不同檢測方法的板形檢測多有研究，但應(yīng)用最多的還是ABB公司的分段檢測輥和DAVY公司的空氣軸承式Vidimon檢測輥板形儀。這兩款檢測輥價高，備件昂貴［2］，且采用輥環(huán)或滑環(huán)結(jié)構(gòu)［3－4］，由于干燥、潔凈、高絕緣性等微弱電信號傳輸條件要求，造成檢測輥的制造精度要求高且需要經(jīng)常清洗維護，而且軋制大多在惡劣的工作環(huán)境中進行，電刷摩擦生熱、磨損等嚴重影響板形儀工作的穩(wěn)定性和測量精度［5］。這正是此類接觸式板形儀的弊端所在。

文獻［5］針對此弊端，提出了基于Nrf24L01的無線方案，但整體上傳感器數(shù)量不足，限制了檢測輥的長度或檢測密度，且僅進行了數(shù)據(jù)傳輸實驗，整個檢測儀的穩(wěn)定性、實時性、抗干擾性均未提及。

1 基于無線通信的接觸式板形檢測儀功能設(shè)計

檢測輥是整個板形檢測儀中的核心部件，本檢測儀中的檢測輥采用與ABB公司和文獻［6］中結(jié)構(gòu)類似的分段式或整輥鑲塊式結(jié)構(gòu)，傳感器采用壓磁式傳感器，如圖1所示。圖中右側(cè)為檢測輥的剖面圖，此剖面中均勻安裝4個壓磁式傳感器組成一組，整個檢測輥均勻安裝26組傳感器。

圖1 檢測輥結(jié)構(gòu)示意

每組傳感器對應(yīng)一個模擬信號通道，檢測輥轉(zhuǎn)動一圈，傳感器信號經(jīng)調(diào)理之后的理想波形如圖2所示。該信號為檢測輥中壓磁式傳感器經(jīng)解調(diào)之后的輸出電壓信號，與檢測輥上對應(yīng)傳感器位置的壓力呈線性關(guān)系，信號范圍0～3.3 V。圖中標注1、2、3、4分別對應(yīng)檢測輥轉(zhuǎn)動到帶鋼與輥的接觸點（如最上面）時，對應(yīng)1、2、3、4號傳感器的輸出信號。信號檢測具體要求如下：

1）在正常工作情況下，檢測輥轉(zhuǎn)動一圈，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能準確捕捉到26組傳感器中各傳感器輸出信號的最大值，即峰值，且必須與傳感器一一對應(yīng)；根據(jù)需要，也可專門檢測某一通道信號的完整波形，如圖2所示。

2）檢測輥為可逆輥，即可正反向轉(zhuǎn)動，此時檢測要求不變。

圖2 調(diào)理后的傳感器信號示意

3）檢測輥的轉(zhuǎn)動最高速度為10圈／秒。

2 板形信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案

根據(jù)板形檢測儀功能要求以及滑環(huán)傳感微弱電信號的弊端，采集系統(tǒng)決定采用無線數(shù)據(jù)傳感方案，整個檢測儀總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

檢測輥與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過固定連接器連接，傳感器所需激勵電源經(jīng)滑環(huán)通過連接器輸入，采集系統(tǒng)所需交流電源經(jīng)滑環(huán)輸入，傳感器輸出信號經(jīng)過連接器輸出到信號調(diào)理模塊，經(jīng)過采集處理電路完成信號采集并無線發(fā)送到PC機系統(tǒng)。正常工作時，檢測輥與采集系統(tǒng)同軸轉(zhuǎn)動。

2.1 信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮檢測儀傳感器數(shù)量以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹笜艘?，采集模塊以56F8013單片機為核心的基于I2C總線的多單片機系統(tǒng)為解決方案，如圖4所示。此款單片機具有32 MIPS的指令執(zhí)行速度、包含2個3通道的ADCs、1個帶LIN從機功能的串行通信接口（SCI）、1個串行外設(shè)接口（SPI）、1個I2C串口，此外還有內(nèi)置看門狗和多達26個普通IO引腳等豐富資源［7］，可完全滿足系統(tǒng)功能需要。

無線模塊選用具有串口接口的XL02－232API型半雙工無線傳輸模塊。該模塊可以工作在433 MHz公用頻段，傳輸距離300米，串口速率1.2～115.2 KBPS，數(shù)據(jù)格式8N1?？赏耆珴M足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要。

圖4 多單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在I2C總線系統(tǒng)，啟動信號、停止信號、地址碼、讀／寫控制信號是由主控器（主機）發(fā)送給被控器（從機），應(yīng)答信號由被控器發(fā)送給主控器［8］。在功能上從機負責信號采集及處理，主機負責管理I2C總線系統(tǒng)及向無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包。沒有采集觸發(fā)信號時，主機和從機都處于等待狀態(tài)；在開始采集觸發(fā)信號到來后，主機繼續(xù)等待，各從機并行開始采集處理數(shù)據(jù)，停止采集信號到來后，各從機將數(shù)據(jù)打包并依據(jù)主機命令向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。主機開始巡檢各從機，待所有從機數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將接收到的數(shù)據(jù)整體打包，發(fā)送到無線模塊，并等待下一個觸發(fā)信號。

2.2 采集觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號產(chǎn)生

采集系統(tǒng)通過無線方式向上位機傳輸?shù)淖畲笾敌盘?，要與每組4個傳感器一一對應(yīng)，同時，由于在傳感器最大值過后，還要有足夠的時間進行數(shù)據(jù)打包和無線傳輸，采集觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號的產(chǎn)生采用圖5所示方案。圖中，固定部分與滑環(huán)硬連接，系統(tǒng)正常工作時，該部分靜止不動，其內(nèi)環(huán)和外環(huán)上安裝擋鐵，以觸發(fā)接近開關(guān)。轉(zhuǎn)動部分與檢測輥硬連接，系統(tǒng)正常工作時，與檢測輥同軸轉(zhuǎn)動，其內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別安裝兩組光電接近開關(guān)。檢測輥正常轉(zhuǎn)動時，兩組開關(guān)信號處理后的波形為連續(xù)的脈沖信號（如圖中右側(cè)所示，其中實線波形為觸發(fā)信號，轉(zhuǎn)動一圈4個脈沖；虛線為傳感器區(qū)分信號，轉(zhuǎn)動一圈，一個脈沖），檢測輥轉(zhuǎn)動快慢變換，則脈沖周期相應(yīng)的變短或變長。

圖5 觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號產(chǎn)生方案

工作時，從單片機檢測到觸發(fā)信號下降沿時開始采集并處理信號，上升沿到來時停止采集，所采集數(shù)據(jù)通過總線由主單片機發(fā)送出去。開始采集信號到來時，若區(qū)分傳感器信號為低電平，則將傳感器標識設(shè)置為1，否則傳感器標識自動加1，若標識已為4，則置為1。傳感器標識數(shù)據(jù)根據(jù)I2C總線協(xié)議，由從單片機與最大值數(shù)據(jù)一同打包。

這樣設(shè)計的好處在于，在時間上將采集過程和數(shù)據(jù)發(fā)送過程合理區(qū)分；完美解決了檢測輥的正反轉(zhuǎn)問題，不管正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，觸發(fā)信號波形不變；正確將每組4個傳感器進行了區(qū)分。

3 系統(tǒng)軟件流程

單片機軟件開發(fā)平臺采用飛思卡爾專用集成開發(fā)平臺Freescale CodeWarrior IDE8.3。整個軟件系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，按照面向過程的方法進行，其中串口、I2C總線通信采用中斷方式。主從單片機模塊劃分如圖6所示。

3.1 主單片機流程

基本任務(wù)：主單片機主要負責接受上位機命令、向無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)以及I2C總線系統(tǒng)運行管理，包括向各從機發(fā)送命令，接受從機發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)并重新打包等。

圖6 主從單片機軟件模塊劃分

工作流程：沒有觸發(fā)信號時，主機處于等待狀態(tài)。在開始采集觸發(fā)信號（下降沿）到來后，主機繼續(xù)等待采集結(jié)束信號（上升沿）。待觸發(fā)信號上升沿到來后，如系統(tǒng)為正常工作模式，則依次巡檢5個從機，接收從機所發(fā)送的各通道最大值信號，進行校驗并重新打包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到串口緩沖區(qū)；如系統(tǒng)為檢修模式，則根據(jù)具體的通道，訪問對應(yīng)從機，接收從機所發(fā)送的通道連續(xù)數(shù)值信號，進行校驗并重新打包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到串口緩沖區(qū)，之后進入下一個采集循環(huán)。具體流程如圖7所示。

圖7 主單片機程序流程

3.2 從單片機流程

基本任務(wù)：從單片機接受主單片機工作模式命令，根據(jù)觸發(fā)信號采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)主機命令向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

工作流程：沒有觸發(fā)信號時，從機處于等待狀態(tài)。在開始采集信號（下降沿）到來后，采集各通道信號，如系統(tǒng)為正常工作模式，循環(huán)采集各通道最大值信號；如系統(tǒng)為檢修模式，則根據(jù)具體的通道，采集對應(yīng)通道信號。待觸發(fā)信號上升沿到來后，退出采集循環(huán)，并根據(jù)工作模式，將數(shù)據(jù)按照對應(yīng)格式打包。待接收到主機訪問命令后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到I2C總線緩沖區(qū)，之后進入下一個采集循環(huán)。具體流程如圖8所示。

圖8 從單片機程序流程

4 結(jié)束語

針對滑環(huán)結(jié)構(gòu)的接觸式板形檢測儀的缺點與不足，采用無線通信方式，設(shè)計實現(xiàn)了多通道、嵌入式帶鋼板形信號采集系統(tǒng)，有效克服了滑環(huán)引起的可靠性、干擾等問題，巧妙的解決了檢測輥的正反轉(zhuǎn)、同組壓磁式傳感器區(qū)分等技術(shù)問題。實際研制的30個通道的板形信號采集系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過多輪次的現(xiàn)場試驗，試驗表明，轉(zhuǎn)速為10圈／秒、I2C總線為標準模式、串口波特率設(shè)置為57600時，數(shù)據(jù)采集和無線通信可靠無故障，可完全滿足板形控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性和精度要求。

［1］連家創(chuàng)，劉宏民.板厚板形控制［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1996.

［2］鐘春生，龐玉華，毛小春.板形檢測方法研究趨向淺析［J］.重型機械，1998（6）：1-3.

［3］王訓(xùn)宏，王快社，等.新型接觸式板形檢測輥的研制［J］.冶金設(shè)備，2005（6）：54-57.

［4］于丙強，楊利波，孫建亮.冷軋帶鋼板形檢測輥研究現(xiàn)狀［J］.軋鋼，2011，28（2）：44-46.

［5］石 燕，劉 青.高速無線技術(shù)在帶鋼板形儀中的應(yīng)用［J］.電子測量技術(shù)，2008，31（8）：103-105.

［6］于丙強，楊利坡，等.嵌入式DSP冷軋帶鋼板形信號處理系統(tǒng)研制［J］.測控技術(shù)，2011，30（8）：23-26.

［7］56F8013數(shù)據(jù)手冊（中文）.http：／／www.creader.com／news／20011219／200112190019.html.

［8］王欣峰，任淑萍.基于Proteus的80C51單片機IIC總線接口設(shè)計［J］.機械管理開發(fā)，2011（5）.

Research on Strip Steel Shape Signal Collection for Shape Meter of Contact Type Based on Wireless Communication

Ren Zheping，Niu Chunping

（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Aiming at the problem of the shape meter of contact type based on slip ring，wireless and embedded multi－SCP system for strip steel shape signal Collection are developed.The problem are solved perfectly that signal collection when the shape meter running in positive or negative and distinguishing differ sensor signal in same group，through the installation of photoelectric switch.The software flow chart of master and slave IIC bus communication is given.Practice shows that when the number of channels is 30，the shape meter rotational speed is 10 circles per second，the data sampling accuracy and transmission rate can meet the requirements of the shape meter closed－loopcontrol.

shape meter；signal collection；wireless communication

1671-4598（2016）08-0171-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.046

：TP211.32

：A

2015-11-26；

：2016-02-05。

任哲平（1974-），男，博研，副教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方向的研究。