基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計

張向陽

摘 要：基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)是在深入分析感應淬火的需求基礎之上，根據(jù)目前流行的網(wǎng)絡技術和嵌入式技術設計的一種以STM32F103為核心芯片的解決方案。PC機通過以太網(wǎng)與工控板間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換，主要包括計數(shù)、開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出功能?；诰W(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)應用程序分為上位機監(jiān)控程序和下位機控制程序。由此實現(xiàn)對感應淬火過程的實時控制與監(jiān)測記錄。

關鍵詞：感應淬火；嵌入式；STM32F103；以太網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-0-03

0 引 言

感應淬火是利用電磁感應在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流而將工件進行加熱，再通過淬火液進行冷卻的熱處理工藝。感應淬火具有加熱速度快、節(jié)約能源、生產(chǎn)效益高、不污染環(huán)境，易于實現(xiàn)機械化和自動化等特點。而直流電壓、直流電流、淬火液溫度、淬火液流量等工藝參數(shù)對淬火工件的硬度和淬火深度有著重大影響，決定了最終淬火產(chǎn)品的質(zhì)量。因此在感應淬火過程中，需要感應淬火監(jiān)控系統(tǒng)來保證這些工藝參數(shù)值的穩(wěn)定和精確。此外，隨著網(wǎng)絡的高速發(fā)展，專業(yè)化、智能化和網(wǎng)絡化是感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，因此開發(fā)出一套基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的實際意義。

1 系統(tǒng)整體結構規(guī)劃

通過對感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作原理和設計原則的總體分析，制定出感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案，主要包括監(jiān)控計算機、以太網(wǎng)、感應淬火監(jiān)控板及主要的監(jiān)測參數(shù)。其中監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)向核心感應淬火綜合監(jiān)控板發(fā)送TCP/IP數(shù)據(jù)包，感應淬火綜合監(jiān)控板接收TCP/IP數(shù)據(jù)包，并從TCP/IP數(shù)據(jù)包中解析出數(shù)據(jù)指令，淬火綜合監(jiān)控板根據(jù)指令對相應的能量與環(huán)境進行監(jiān)控，并將監(jiān)控結果和需要記錄的數(shù)據(jù)以TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式通過網(wǎng)絡發(fā)送回監(jiān)控計算機，對整個感應淬火過程進行實時監(jiān)控記錄。圖1所示為系統(tǒng)總體結構規(guī)劃圖。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制板設計

基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)的控制板以STM 32F103芯片為主控芯片。根據(jù)功能要求，控制板主要包括微控制板模塊電路、網(wǎng)絡連接電路、電流電壓測量電路、淬火液溫度容量測量電路、冷卻水溫流量測量電路、淬火時間頻率測量電路、報警電路等。其電路總體規(guī)劃圖如圖2所示。

在整個基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，控制板通過以太網(wǎng)芯片W5500與工控機連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換。此外，控制板還連接著模擬量輸入端口、開關量輸入端口、開關量輸出端口。其中模擬量輸入端口包括直流電壓、直流電流、冷卻水溫度、壓力、淬火液溫度、流量共6路；開關量輸入端口包括8路感應淬火通道，即8種淬火模式與淬火啟動通道；開關量輸出端口包括淬火環(huán)境報警、淬火能量報警共6路，而報警模式分為LED燈閃爍、報警器發(fā)出斷續(xù)音和LED燈亮、報警器發(fā)出連續(xù)音，即對應每路監(jiān)測值超出上限閾值和下限閾值產(chǎn)生的報警。

2.2 CPU核心芯片

如圖2所示，多功能監(jiān)控板的核心為STM32F103ZGT6，該芯片集成Flash和SARM寄存器的ARMcortex-M3 內(nèi)核，是32位的RISC處理器，可提供額外的代碼效率，與普通的8位和16位單片機相比，可以更好的發(fā)揮ARM內(nèi)核的高性能。STM32F103ZGT6芯片擁有144個引腳，在硬件結構上容易進行測控功能的擴展。此外，它還內(nèi)嵌了3個12 位的ADC，有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源，各通道的A/D 轉換可以單次、連續(xù)掃描或間斷執(zhí)行。同時還集成了分辨率可配置為3位或12位的DAC。此外，還支持 SPI、I2C和USART等多種通信方式。這些功能大大簡化了監(jiān)控板的硬件結構，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2.3 以太網(wǎng)模塊設計

由于STM32F103既不包含網(wǎng)絡控制器的MAC層 （鏈路層）也沒有網(wǎng)絡控制器的PHY層（物理層），所以采用STM32 外接常用的嵌入式以太網(wǎng)控制器W5500。W5500芯片是一款集成度高的網(wǎng)絡控制芯片，內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器和硬件TCP/IP協(xié)議棧。無需復雜的TCP/IP協(xié)議移植操作，通過簡單的接口連接就可以實現(xiàn)快捷的網(wǎng)絡連接，基本不占用MCU內(nèi)部資源，能夠極大地提高MCU的工作效率，性價比高，穩(wěn)定性好。

W5500支持硬件TCP/IP協(xié)議棧，具有完善的官方應用庫，使得對協(xié)議的應用更簡單，大大縮短了實際的開發(fā)周期；擁有32 K字節(jié)的片上緩存，可以更好地處理大量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；支持用戶同時使用8個硬件Socket獨立通信，且各Socket之間互不影響；用戶可以選擇使用網(wǎng)絡喚醒模式及掉電模式，以減少系統(tǒng)能耗；支持80 MHz的SPI協(xié)議，可以實現(xiàn)快速的網(wǎng)絡通信。W5500模塊原理圖如圖3所示。

通過W5500與HR911105A的連接，由網(wǎng)線實現(xiàn)與PC機之間的數(shù)據(jù)通信。其中，HR911105A主要包括一個隔離變壓器和一個RJ45接口，該隔離變壓器對2 kV以上電壓可以起到隔離作用，有效防止靜態(tài)干擾。RJ45是布線系統(tǒng)中信息插座（即通信引出端）連接器的一種，連接器由插頭（接頭、水晶頭）和插座（模塊）組成，插頭有8個凹槽和8個觸點。HR911105A模塊原理圖如圖4所示。

2.4 電源模塊設計

電源模塊原理圖如圖5所示。文中選用LM2596芯片，該芯片是一種降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性?？晒潭ㄝ敵?.3 V、5 V、12 V電壓，并進行可調(diào)電壓輸出，輸出誤差可保證在±4%的范圍內(nèi)。由于它可以使用通用的標準電感，更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡化了電源模塊的電路設計。同時還包含自我保護電路，大大延長了芯片的使用壽命。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機程序設計

MDK-ARM為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器的設備提供了完整的開發(fā)環(huán)境。所以底層程序是在MDK編譯器下用C語言編寫的。由于核心芯片采用的是STM32F103，而STM32系列芯片在應用方面具備了完整且成熟的庫開發(fā)指南，因此大大簡化了應用程序的編寫。在下位機程序設計中，通過對庫函數(shù)的調(diào)用來進行所有硬件的初始化，包括STM32F103內(nèi)核的移植、時鐘初始化、引腳初始化、ADC初始化、USART初始化、SPI初始化以及TCP/IP協(xié)議初始化。硬件初始化完成后再進行軟件初始化，主要包括對各通道參數(shù)的基本設置、報警閾值的設置、軟件關閉LED燈以及報警器。當所有初始化完成后，就可進行任務分解。由于感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個實時性監(jiān)控系統(tǒng)，因此采用SysTick（系統(tǒng)滴答定時器）來進行定時中斷。理論上STM32F103的最小計時單位為AHB的時鐘周期，即1/720 000 00 s（1/72 000 ms），而基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)控過程中以20 ms作為一個周期，0.5 ms作為間隔進行具體的任務分配。該定時周期既能保證每個任務的有效實時運行，又能保證系統(tǒng)CPU的運行負荷不至于太大。

下位機程序流程如圖6所示。

3.2 上位機程序設計

上層使用Visual Studio 2010編寫，它是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境，也是目前最流行的Windows平臺應用程序開發(fā)環(huán)境之一。通過對Visual Studio 2010的研究，運用C#語言編寫一個簡單的上位機監(jiān)控界面。創(chuàng)建一個Windows窗體應用程序，以TCP/IP通信協(xié)議運用Socket套接字的方式與感應淬火綜合監(jiān)控板進行連接，再對整個上位機界面的各模塊進行編寫，包括工件基本參數(shù)監(jiān)控模塊、電源報警狀態(tài)模塊、電源實時參數(shù)監(jiān)控模塊、感應淬火通道監(jiān)控模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控模塊。

3.3 數(shù)據(jù)處理算法設計

由于基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)最終用在機床上的工控板，因此存在很多復雜的外部干擾信號，為了有效除去這些干擾，更加準確的計算出監(jiān)測結果，感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用多次數(shù)據(jù)檢測、平均慮波、平滑濾波相結合的方法。在直流電壓和直流電流的檢測過程中，20 ms內(nèi)采集4次數(shù)據(jù)，再去掉其最大值和最小值，對100 ms內(nèi)的10個值進行平均，求平均值，連續(xù)取5組，最后對500 ms內(nèi)的5組值進行5級平滑濾波得到最終結果。

4 結 語

基于網(wǎng)絡的感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用STTM32F103芯片，這是一款高度集成的微處理芯片，大大簡化了整個開發(fā)系統(tǒng)的結構和PCB板的制作。由于以往大部分工控機采用的是并行口通信，而隨著技術的發(fā)展，支持并行口通信的工控機越來越少，所以此次監(jiān)控板采用網(wǎng)絡傳輸通信，這也是技術發(fā)展的必然趨勢。感應淬火綜合監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，穩(wěn)定可靠，具有極大的實用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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