基于本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三軸電機(jī)工況故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舒澤芳，崔慶東，彭曉珊

（1.貴陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005；2.貴陽(yáng)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005）

3D 打印技術(shù)是用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維立體的圖紙，通過(guò)BIM 管理系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)送到數(shù)字控制的大型3D 打印機(jī)里，實(shí)現(xiàn)立體打印。3D 打印X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給均依靠高精度的步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)的主要故障類型包括失步、電機(jī)發(fā)熱、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等等［1-2］，這些故障均對(duì)X、Y、Z 三軸的高精度控制產(chǎn)生嚴(yán)重影響，常見(jiàn)的故障表現(xiàn)是步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行或者轉(zhuǎn)速失去控制，而常規(guī)的驅(qū)動(dòng)控制僅關(guān)注細(xì)分脈沖的實(shí)現(xiàn)，無(wú)法對(duì)出現(xiàn)故障時(shí)步進(jìn)電機(jī)的工況進(jìn)行記錄，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障后無(wú)法定位故障電機(jī)。本設(shè)計(jì)提出了一種基于低速本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總線式故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［3-4］，采用單主多從節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三個(gè)從節(jié)點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y、Z 三個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度等四種物理量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)從節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的分析，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為主從節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，該故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出為有效進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的故障分析和界定提供故障數(shù)據(jù)支撐。

1 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議于20 世紀(jì)90 年代末在德國(guó)Baden 召開(kāi)的汽車(chē)電子會(huì)議上首次被提出，其被定義為一種可擴(kuò)展串行低速現(xiàn)場(chǎng)總線，主要是應(yīng)對(duì)低速低成本的本地通信的需要，其設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于連接多傳感器后和中控進(jìn)行通信，常用于車(chē)輛的車(chē)窗和車(chē)燈等的控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單主多從結(jié)構(gòu)。其通信規(guī)范定義了其通信基本幀符合異步串行通信幀標(biāo)準(zhǔn)，采用同步場(chǎng)同步通信時(shí)鐘，開(kāi)發(fā)硬件可基于單片機(jī)或FPGA，也可以采用專用ASIC 芯片實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)軟件和平臺(tái)則可采用規(guī)范的IHR 公司提供的軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)平臺(tái)或者用戶自行設(shè)計(jì)的軟件代碼。軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)平臺(tái)需要用戶提供網(wǎng)絡(luò)描述文件，該文件作為自動(dòng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)性文件，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，包括對(duì)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信速度、協(xié)議版本、信號(hào)類型、幀類型等有詳細(xì)的描述和界定，由于其定義復(fù)雜且繁瑣，在一定程度上阻礙了該協(xié)議的廣泛使用。而用戶自行設(shè)計(jì)軟件代碼則可以將軟件專注在實(shí)現(xiàn)符合協(xié)議規(guī)定的幀信號(hào)和應(yīng)用層的功能設(shè)計(jì)，以獲得較好的工程實(shí)現(xiàn)。隨著本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的逐漸發(fā)展和壯大，其應(yīng)用領(lǐng)域也從汽車(chē)電子領(lǐng)域擴(kuò)展到其他現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域。本故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由單主節(jié)點(diǎn)-三從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中單主節(jié)點(diǎn)-三從節(jié)點(diǎn)均由總線接口芯片相互連接。主從節(jié)點(diǎn)各自通過(guò)軟件控制UART 接口，在網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生總線幀以完成主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的通信。三個(gè)從節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集步進(jìn)電機(jī)速度、電壓、電流、溫度等信息，由主節(jié)點(diǎn)采用輪詢或從節(jié)點(diǎn)觸發(fā)方式產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通信行為。主節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信進(jìn)行故障數(shù)據(jù)采集和界定。

本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信行為產(chǎn)生過(guò)程如圖2 所示，網(wǎng)絡(luò)通信可在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，也可在不同從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)的軟件包括通信主任務(wù)和通信從任務(wù)，而從節(jié)點(diǎn)僅包含通信從任務(wù)。通信行為的產(chǎn)生標(biāo)志是主任務(wù)向總線發(fā)送幀頭，幀頭包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)，間隔場(chǎng)確保不同的幀不會(huì)在總線上發(fā)生時(shí)間沖突碰撞；同步場(chǎng)為固定數(shù)據(jù)0x55，通過(guò)該特定字節(jié)數(shù)據(jù)向從節(jié)點(diǎn)同步通信時(shí)鐘信號(hào)，以統(tǒng)一主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘；標(biāo)識(shí)符場(chǎng)規(guī)定了通信的幀具體類型、通信的收發(fā)節(jié)點(diǎn)以及響應(yīng)中數(shù)據(jù)場(chǎng)的個(gè)數(shù)。幀頭在總線上以廣播的方式通信，全部從任務(wù)均可接收。各個(gè)從任務(wù)根據(jù)接收的幀頭中標(biāo)識(shí)符場(chǎng)的內(nèi)容確定是否做出相應(yīng)的響應(yīng)，響應(yīng)部分由若干個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)構(gòu)成。幀頭和響應(yīng)構(gòu)成通信幀，其中各個(gè)場(chǎng)均符合串行異步通信數(shù)據(jù)格式，由單片機(jī)的UART 接口實(shí)現(xiàn)。

圖2 通信原理圖

本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主任務(wù)中包含調(diào)度進(jìn)度表，負(fù)責(zé)整個(gè)通信機(jī)制，是通信的節(jié)拍器。在傳統(tǒng)的汽車(chē)電子現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用中，進(jìn)度表中通常包含使總線靜默的狀態(tài)，以有效降低車(chē)載電子設(shè)備的靜態(tài)功耗。幀頭的類型可由用戶根據(jù)協(xié)議自行設(shè)計(jì)。根據(jù)車(chē)載電子設(shè)備的工作特點(diǎn)，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范推薦了常規(guī)的三類幀：無(wú)條件任務(wù)幀、輪詢幀、條件觸發(fā)幀，均由幀頭中的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)體現(xiàn)。無(wú)條件任務(wù)幀指主節(jié)點(diǎn)控制從節(jié)點(diǎn)，使從節(jié)點(diǎn)微控制器的某個(gè)引腳執(zhí)行特定的動(dòng)作和任務(wù)，比如車(chē)窗自動(dòng)升降等操作；輪詢幀指主節(jié)點(diǎn)輪詢各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，從節(jié)點(diǎn)將自身采集的本地各類數(shù)據(jù)通過(guò)總線上傳至主節(jié)點(diǎn)，以供主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和故障界定，主節(jié)點(diǎn)以一定的時(shí)間間隔輪詢所用從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)故障輪詢的功能；條件觸發(fā)幀是一種零星幀，其在特定的條件才能產(chǎn)生，主要在從節(jié)點(diǎn)采集到自身的各類輸入信號(hào)發(fā)生變化，當(dāng)變化幅度大于故障閾值時(shí)，觸發(fā)總線通信行為，使主節(jié)點(diǎn)再次啟動(dòng)一次輪詢幀。

2 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路由主節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊和從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成，主節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示，由STC89C52 微控制器為核心外加外圍電路構(gòu)成，液晶1602 作為顯示模塊，由P0 口控制1602 液晶的D0～D7 數(shù)據(jù)線，液晶讀寫(xiě)控制信號(hào)R/W 采用P1.0 控制，數(shù)據(jù)/命令RS 選擇端采用P1.1 控制。網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用TJA1027 驅(qū)動(dòng)收發(fā)器，采用STC89C52 微控制器的通用串行收發(fā)接口UART 的TXD 和RXD 連接，TJA1027 驅(qū)動(dòng)收發(fā)器中的VBAT 連接正12 V 電源，以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上的電平符合協(xié)議規(guī)定。硬件結(jié)構(gòu)框圖中粗線代表網(wǎng)絡(luò)總線，P0 口和D0-D7 之間為雙向控制和顯示數(shù)據(jù)流。

圖3 主節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

步進(jìn)電機(jī)從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量，硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示?？紤]從節(jié)點(diǎn)微控制器將承擔(dān)傳感變送器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等任務(wù)，采用自帶兩路12 位ADC 高性能C8051F020 微控制器作為控制核心［5］，溫度傳感器采用硅膠導(dǎo)線貼片型One-wire 總線的DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量范圍為55℃～125℃，采用C8051F020 微控制器的P0.0 作為接口引腳。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器RLE3806，輸出為NPN集電極開(kāi)路OC 門(mén)，采用C8051F020 微控制器可編程計(jì)數(shù)器PCA 對(duì)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)電壓和電流的變送器采用霍爾型傳感器FK-SD 型，考慮其輸出的抗干擾性，均采用4-20 mA 電流輸出型。外圍電路均采用芯片用戶手冊(cè)的典型推薦電路設(shè)計(jì)。

圖4 X、Y、Z 三軸從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 主節(jié)點(diǎn)軟件部分設(shè)計(jì)

本故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)包括主節(jié)點(diǎn)軟件部分和從節(jié)點(diǎn)軟件部分，兩部分均采用嵌入式程序設(shè)計(jì)的“看門(mén)狗”技術(shù)和“死”循環(huán)技術(shù)，“看門(mén)狗”以硬件芯片SP706SEN 配合數(shù)據(jù)手冊(cè)的參考代碼實(shí)現(xiàn)，確保系統(tǒng)在程序跑飛之時(shí)及時(shí)復(fù)位以提高系統(tǒng)的可靠性?！八馈毖h(huán)技術(shù)保證系統(tǒng)能有效不斷進(jìn)行采集通信分析任務(wù)，兩者有效配合以保證程序能不斷可靠對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。在主-從節(jié)點(diǎn)通信部分的軟件其設(shè)計(jì)目的是控制UART 接口產(chǎn)生符合LIN 總線標(biāo)準(zhǔn)的總線幀，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)通信軟件部分需設(shè)計(jì)進(jìn)度表調(diào)度整個(gè)LIN 總線通信過(guò)程。根據(jù)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能標(biāo)定，本次LIN 總線幀定義輪詢幀和零星觸發(fā)幀，輪詢幀負(fù)責(zé)按照固定的時(shí)間間隔輪詢?nèi)齻€(gè)從節(jié)點(diǎn)，三個(gè)從節(jié)點(diǎn)將12 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至主節(jié)點(diǎn)；零星觸發(fā)幀為當(dāng)從節(jié)點(diǎn)采集到故障數(shù)據(jù)后，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)STC89C52 單片機(jī)的外部中斷0，觸發(fā)主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)輪詢網(wǎng)絡(luò)通信。主節(jié)點(diǎn)的進(jìn)度表采用有限狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如圖1 所示：

根據(jù)圖5 所示，主節(jié)點(diǎn)軟件常規(guī)流程為開(kāi)始后進(jìn)入初始化，配置波特率、I/O 引腳、ADC 轉(zhuǎn)換芯片配置、中斷服務(wù)子程序入口地址配置等功能，隨后進(jìn)入輪詢幀，輪詢X、Y、Z 三個(gè)軸上的從節(jié)點(diǎn)所采集的步進(jìn)電機(jī)電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量的狀態(tài)，輪詢幀結(jié)束后，主節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播幀使得系統(tǒng)進(jìn)入總線休眠狀態(tài)，總線休眠狀態(tài)持續(xù)200 ms，然后系統(tǒng)繼續(xù)輪詢?nèi)齻€(gè)從節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成“死”循環(huán)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)接收到從節(jié)點(diǎn)的外部中斷信號(hào)0 后，啟動(dòng)零星觸發(fā)進(jìn)度，主節(jié)點(diǎn)將發(fā)送零星幀，要求對(duì)應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)上傳出現(xiàn)故障的傳感器數(shù)值。主節(jié)點(diǎn)在零星幀處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入常規(guī)流程處理。

圖5 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度表狀態(tài)圖

根據(jù)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和本故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能標(biāo)定，本系統(tǒng)的總線幀頭中標(biāo)識(shí)符場(chǎng)定義了7 個(gè)標(biāo)識(shí)符，包含輪詢幀、零星幀和廣播幀。其二進(jìn)制結(jié)構(gòu)和含義如表1 所示。

表1 標(biāo)識(shí)符場(chǎng)數(shù)據(jù)定義

根據(jù)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)范，通信的發(fā)起由主節(jié)點(diǎn)中的主任務(wù)軟件模塊發(fā)起，發(fā)起標(biāo)志為向物理總線上發(fā)送幀頭，幀頭中的同步場(chǎng)均為0x55，同步各從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)，幀頭中的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)體現(xiàn)本次通信具體的任務(wù)和通信收發(fā)雙方，序號(hào)1 中的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)為B00000001，表示為輪詢幀，主節(jié)點(diǎn)發(fā)出該幀頭，主節(jié)點(diǎn)要求X 軸從節(jié)點(diǎn)將采集的X 軸電機(jī)的電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量通過(guò)UART 接口和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片TJA1027 上傳至主節(jié)點(diǎn)。該幀頭出現(xiàn)在物理總線上，能被全體從節(jié)點(diǎn)接收，Y 軸和Z 軸從節(jié)點(diǎn)接收到此幀頭后，和存儲(chǔ)在自身ROM 中的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比匹配，未配對(duì)則不予響應(yīng)。序號(hào)2和序號(hào)3 工作原理和序號(hào)1 類似。

序號(hào)4 的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)為零星幀，零星幀的產(chǎn)生屬于事件觸發(fā)型，在于從節(jié)點(diǎn)采集的步進(jìn)電機(jī)的電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量出現(xiàn)異常，產(chǎn)生了±10%變化后觸發(fā)，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)的外部中斷INT0 觸發(fā)主節(jié)點(diǎn)向物理總線產(chǎn)生零星幀頭，對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)為B00000100，X 軸從節(jié)點(diǎn)接收到此幀頭中的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)后即將自身采集到的變化的物理量作為響應(yīng)反饋至主節(jié)點(diǎn)。序號(hào)5 和序號(hào)6 工作原理與序號(hào)4 類似。

序號(hào)7 的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)為廣播幀，根據(jù)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度表狀態(tài)圖，主節(jié)點(diǎn)控制著整個(gè)系統(tǒng)的通信機(jī)制，在沒(méi)有任務(wù)通信任務(wù)的時(shí)刻，總線將休眠200 ms，全體節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，以降低靜態(tài)功耗以及總線的平均負(fù)載率。廣播幀被全體從節(jié)點(diǎn)接收，但不需要從節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)。

主節(jié)點(diǎn)軟件部分在處理完總線通信部分，獲取步進(jìn)電機(jī)電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量的狀態(tài)后，則調(diào)用LCD1602 液晶的顯示子程序，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三個(gè)軸共12 個(gè)物理量的輪流顯示。LCD1602 模塊采用控制器HD44780、驅(qū)動(dòng)器HD44100 和液晶板構(gòu)成，其輪流顯示配置方式為：清屏（DDRAM 設(shè)置為空格），光標(biāo)回到屏幕左上角，地址計(jì)數(shù)器設(shè)置為0。設(shè)置LCD1602 的輸入模式，用于設(shè)置每寫(xiě)入一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)字節(jié)后，光標(biāo)的移動(dòng)方向及字符是否移動(dòng)。設(shè)置兩行、8 位數(shù)據(jù)、5×7 點(diǎn)陣。

3.2 從節(jié)點(diǎn)軟件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)，本故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)軟件部分包括傳感變送器數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、采集數(shù)據(jù)發(fā)生±10%變化后觸發(fā)中斷三個(gè)部分，程序流程圖如圖6 所示。

圖6 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)所采用的微控制器為C8051F020，其內(nèi)部硬件資源豐富，自帶內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換模塊。從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)依托其硬件資源，從節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行UART 串行口的配置，設(shè)定UART 串行口的波特率、收發(fā)工作模式、數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。然后配置PCA，即可編程增益的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)定兩路模擬量進(jìn)入通道AN0 和AN1，采集步進(jìn)電機(jī)電壓和電流。配置光電編碼器計(jì)數(shù)通道，采集步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。配置DS18B20 芯片，設(shè)定其溫度分辨率10 位［6］，轉(zhuǎn)換時(shí)間位187.5 ms。

本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在總線無(wú)通信任務(wù)時(shí)，總線的物理電平處于高電平。從節(jié)點(diǎn)軟件部分在配置完從節(jié)點(diǎn)的相關(guān)硬件部分后，從節(jié)點(diǎn)軟件部分則開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)物理總線上是否出現(xiàn)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議幀頭的間隔場(chǎng)，間隔場(chǎng)通常以一個(gè)低電平開(kāi)始。當(dāng)總線上出現(xiàn)幀頭的同步場(chǎng)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)同步自身的波特率發(fā)生器中的寄存器數(shù)據(jù)，以和主節(jié)點(diǎn)通信波特率同步。在接收完幀頭的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)后，從節(jié)點(diǎn)依托自身ROM 中表對(duì)幀頭中標(biāo)識(shí)符場(chǎng)進(jìn)行邏輯判斷，以確定是否發(fā)送自身采集的步進(jìn)電機(jī)電壓、電流、表面溫度和轉(zhuǎn)速四個(gè)物理量至主節(jié)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身采集的四個(gè)物理量是否變化幅度過(guò)大，拉低主節(jié)點(diǎn)INT0 引腳電平，以啟動(dòng)中斷觸發(fā)行為，使主節(jié)點(diǎn)再次產(chǎn)生零星幀頭來(lái)采集故障數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)測(cè)試的核心環(huán)節(jié)為本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總線通信部分，采用示波器對(duì)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心通信總線進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試主要工具為泰克示波器TDS1012 單色，通道數(shù)2、帶寬100 MHz、取樣率1.0 GS/s、記錄長(zhǎng)度所有通道2.5 K 點(diǎn)、時(shí)基范圍5 ns 到50 sec/div。

測(cè)試設(shè)定條件為：示波器通道1 電壓測(cè)量單位5 V，時(shí)間軸單位500 us，Vcc 選取為12 V。測(cè)試時(shí)通信的波特率設(shè)置為25 K，每個(gè)位占時(shí)40 us。測(cè)試結(jié)果符合本地互聯(lián)總線2.1 標(biāo)準(zhǔn)，隱形和顯性電平均符合電平大小規(guī)范。幀頭波形符合本地互聯(lián)總線2.1 標(biāo)準(zhǔn)，示波器測(cè)試顯示同步間隔低相位顯性TSYNBRK 最小值為720 us，TSYNDEL 為45 us。廣播幀波形如圖7 所示。

圖7 廣播幀波形

本設(shè)計(jì)能有效監(jiān)測(cè)3D 打印機(jī)中三個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)的工況，采用的本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可有效構(gòu)成單主多從的通信網(wǎng)絡(luò)，便于可靠采集多物理量。同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)幀頭的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)可擴(kuò)展從節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)數(shù)量的擴(kuò)容。本設(shè)計(jì)表明利用本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可有效地進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，為低成本高可靠性構(gòu)建多傳感器的SCADA 系統(tǒng)提供了有效的技術(shù)方案。