基于Android的便攜式電磁閥性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羊榮金，陳敏捷，張志紅，朱偉東

(1. 杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 311402；2.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310027)

0 前言

電磁閥是利用電磁原理進(jìn)行流體控制的自動化基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于流體傳動和自動控制系統(tǒng)。電磁閥性能對整個系統(tǒng)的工作性能影響巨大，因此電磁閥性能測試是一項(xiàng)非常重要的工作。目前，電磁閥性能測試主要依靠手工測試或計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)(Computer Aided Test，CAT)進(jìn)行。手工測試是利用壓力表、流量計(jì)、秒表等讀數(shù)后并手工記錄的方法，測試速度慢、精度低且判斷需要依賴大量經(jīng)驗(yàn)。CAT是通過計(jì)算機(jī)、傳感器、采集卡等硬件結(jié)合軟件如LabVIEW、匯編語言、C++等開發(fā)的一整套數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，能夠采集、分析和處理壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)，并實(shí)時輸出測試結(jié)果。相較于傳統(tǒng)的手工測試方法，CAT更加穩(wěn)定可靠、高效方便，能較好地實(shí)現(xiàn)電磁閥性能測試。但是，電磁閥CAT設(shè)備體積大、成本高，便攜性受制約嚴(yán)重，且大部分進(jìn)行的是離線測試，不能很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

隨著手機(jī)等移動終端的性能飛速提升和數(shù)據(jù)處理能力增強(qiáng)，將它用于電磁閥性能測試成為可能。本文作者以Android智能手機(jī)為數(shù)據(jù)處理中心，結(jié)合傳感器、單片機(jī)和藍(lán)牙無線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)一套便攜式電磁閥性能測試系統(tǒng)，用于進(jìn)行直流電磁閥的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、性能測試和數(shù)據(jù)共享。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)使用方便靈活、測試精度可靠，符合國家電磁閥性能測試標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)測試內(nèi)容及方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)測試內(nèi)容及方法

根據(jù)電磁閥性能測試技術(shù)要求，該系統(tǒng)可以完成電磁閥的4個主要測試項(xiàng)目，分別為響應(yīng)測試、壽命測試、密封性測試和電壓特性測試。經(jīng)過分析比較，選擇如下可靠且有效的測試方法。

(1)響應(yīng)測試用于測試電磁閥的響應(yīng)特性，即電磁閥在外部電信號的激勵作用下閥芯位移-時間特性上表現(xiàn)出來的延遲時間，主要有開啟段滯后時間、開啟段響應(yīng)時間、關(guān)閉段滯后時間和關(guān)閉段響應(yīng)時間4個參數(shù)。采用根據(jù)電磁閥出口壓力變化間接反映電磁閥響應(yīng)特性的測試法。

(2)壽命測試用于測試電磁閥的動作壽命。該系統(tǒng)循環(huán)測試電磁閥進(jìn)出口壓差，當(dāng)壓差出現(xiàn)異常時停止測試，記錄下的閥正常換向次數(shù)即為電磁閥的動作壽命。

(3)密封性測試用于測試電磁閥單位時間內(nèi)的流體泄漏量。采用直接壓力法進(jìn)行測試，即讓被測電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，充氣后進(jìn)行保壓，測得保壓前后閥入口壓力差，根據(jù)此差值計(jì)算出電磁閥的泄漏量。

(4)電壓特性測試供電電壓特性，包括吸合電壓和釋放電壓。系統(tǒng)改變電磁閥供電電壓并反復(fù)完成動作，通過測試閥出口壓力求得電壓特性參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)測試要求，設(shè)計(jì)基于Android的便攜式電磁閥性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由測試終端和控制終端組成，整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

測試終端通過壓力傳感器采集待測電磁閥前后的壓力信號，經(jīng)單片機(jī)分析處理后由藍(lán)牙模塊發(fā)送給Android手機(jī)，同時接收Android手機(jī)的控制指令并采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)波調(diào)制輸出激勵待測電磁閥動作?？刂平K端為Android手機(jī)，能夠接收和保存測試終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以文字和圖表的形式實(shí)時顯示數(shù)據(jù)以及進(jìn)行性能測試。Android手機(jī)端還能夠發(fā)送控制指令來控制電磁閥動作以便用戶對電磁閥進(jìn)行操作。Android手機(jī)端保存的數(shù)據(jù)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺以便用戶隨時查詢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電磁閥性能測試系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器模塊、單片機(jī)模塊、PWM驅(qū)動電路模塊、信號調(diào)理模塊、藍(lán)牙模塊以及電源模塊，系統(tǒng)測試終端硬件原理如圖2所示。

圖2 測試終端硬件原理

(1)傳感器模塊。采用2個瑞士某公司生產(chǎn)的 511系列壓力傳感器，分別采集待測電磁閥的閥前和閥后壓力值。壓力傳感器量程為0～1.6 MPa，輸出為0～5 V的電壓信號。傳感器輸出的電壓信號經(jīng)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中待處理。

(2)單片機(jī)模塊。選用STC15W408AS單片機(jī)作為測試終端的核心處理器，將采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz以上可以滿足系統(tǒng)信號采集的需求。通過芯片的2個I/O口P1.2、P1.3讀取信號調(diào)理過的來自壓力傳感器的模擬信號，并利用自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能將它轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。通過芯片的I/O口P1.0接PWM驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對電磁閥動作的控制。芯片的P3.1 TX口、P3.0 RX口分別與藍(lán)牙模塊的RX口、TX口相連，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的串口通信。

(3)PWM驅(qū)動電路模塊。驅(qū)動電路采用PWM波調(diào)制，通過改變PWM波的頻率和占空比控制驅(qū)動電路輸出0～24 V的可調(diào)電壓，進(jìn)而控制電磁閥動作。由于STC15W408AS單片機(jī)I/O口輸出電壓較小無法直接驅(qū)動電磁閥動作，通過2個三極管S9013升壓放大到0～24 V控制電磁閥輸出。

(4)信號調(diào)理模塊。采用LM358雙運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，對來自壓力傳感器的壓力信號起緩沖作用，避免采集的數(shù)據(jù)受到干擾。

(5)藍(lán)牙模塊。采用CC2540無線藍(lán)牙模塊，可以便捷地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與帶藍(lán)牙功能的手機(jī)、PAD等智能設(shè)備之間的通信。CC2540藍(lán)牙模塊的P02、P03口與單片機(jī)通過串口進(jìn)行連接。

(6)電源模塊。電磁閥、壓力傳感器和運(yùn)放LM358均采用24 V直流電源供電，單片機(jī)STC15W408AS和藍(lán)牙模塊分別采用5、3.3 V直流電源供電，兩者的收發(fā)引腳需要進(jìn)行電壓匹配。通過LM7805產(chǎn)生5 V的單片機(jī)工作電壓，通過AMS1117穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3 V的藍(lán)牙工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括測試終端軟件設(shè)計(jì)和控制終端手機(jī)APP設(shè)計(jì)。測試終端和控制終端之間通過藍(lán)牙進(jìn)行信息交互。

3.1 測試終端軟件設(shè)計(jì)

測試終端軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)初始化程序、信號采集程序、PWM驅(qū)動程序和通信程序等，流程如圖 3所示。

圖3 測試終端程序流程

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，主要包括I/O口初始化、串口初始化、定時器初始化等，初始化完成后等待串口中斷。串口中斷就緒后即可接收 Android手機(jī)端的指令，調(diào)用相應(yīng)的程序模塊。信號采集程序進(jìn)行壓力等信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、存儲及處理等任務(wù)。PWM驅(qū)動程序控制單片機(jī)內(nèi)部定時器輸出PWM脈沖信號，驅(qū)動電磁閥動作。通信程序控制串口初始化，設(shè)置藍(lán)牙串口的工作方式、數(shù)據(jù)格式以及波特率等，把處理后的壓力、電壓等數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙功能發(fā)送至Android手機(jī)端，并接收來自Android手機(jī)端的指令。

3.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

控制終端手機(jī) APP利用Android Studio軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，包括用戶界面布局和程序設(shè)計(jì)兩方面。其中,程序設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信程序、數(shù)據(jù)交互程序、數(shù)據(jù)顯示程序、數(shù)據(jù)管理程序、響應(yīng)測試程序、壽命測試程序、密封性測試程序和電壓特性測試程序等，流程如圖 4所示。

圖4 手機(jī)APP程序流程

藍(lán)牙通信程序?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙搜索、連接、數(shù)據(jù)傳輸和斷開等功能。數(shù)據(jù)交互程序通過調(diào)用getOutputStream( )函數(shù)輸出數(shù)據(jù)流，用戶通過在手機(jī)界面進(jìn)行手動輸入等人機(jī)交互即可發(fā)送指令給測試終端；通過調(diào)用getInputStream( )函數(shù)獲取數(shù)據(jù)流，接收來自測試終端的信息并最終顯示在手機(jī)界面上。數(shù)據(jù)顯示程序?qū)⒊掷m(xù)接收的數(shù)據(jù)實(shí)時以文本形式顯示或繪制成數(shù)據(jù)曲線。數(shù)據(jù)管理程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、上傳云端、下載和清除緩存等操作。調(diào)用響應(yīng)測試等4類測試程序可以實(shí)現(xiàn)待測電磁閥的相應(yīng)特性測試。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后對系統(tǒng)測試終端和控制終端進(jìn)行綜合驗(yàn)證。根據(jù)JB/T 6378—2008電磁換向閥的測試技術(shù)要求，運(yùn)用該系統(tǒng)對某二位三通電磁閥進(jìn)行性能測試。如圖5所示，手機(jī)APP正常登錄后能夠與測試終端藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，在手機(jī)APP界面上可以選擇進(jìn)行不同的測試項(xiàng)目。

圖5 手機(jī)APP界面

以響應(yīng)測試為例，選擇進(jìn)入如圖6所示的響應(yīng)測試設(shè)置界面，設(shè)置測試壓力為0.4 MPa，測試次數(shù)為3次，待測電磁閥動作頻率為1 Hz，占空比為50%。標(biāo)準(zhǔn)值來自待測電磁閥標(biāo)稱，填寫與否不影響測試結(jié)果。單擊“開始測試”按鈕，系統(tǒng)測試終端可以采集待測電磁閥壓力和電壓信息，并以曲線和文本形式實(shí)時顯示在如圖6所示的APP數(shù)據(jù)交互界面。APP可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行響應(yīng)測試性能參數(shù)計(jì)算。此次計(jì)算結(jié)果分別為：開啟段滯后時間12.6 ms、開啟段響應(yīng)時間22.4 ms、關(guān)閉段滯后時間10.1 ms和關(guān)閉段響應(yīng)時間21.8 ms。

圖6 響應(yīng)測試設(shè)置界面和數(shù)據(jù)交互界面

在同樣的測試壓力、動作頻率、占空比等測試條件下，分別運(yùn)用該系統(tǒng)和傳統(tǒng)液壓CAT系統(tǒng)對4類性能測試項(xiàng)目進(jìn)行測試對比，結(jié)果表明測試誤差均在允許范圍內(nèi)，能夠滿足使用要求。

5 結(jié)束語

本文作者設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)和Android的便攜式電磁閥性能測試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電磁閥的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、性能測試和數(shù)據(jù)共享。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便，并能繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級。經(jīng)過驗(yàn)證，該系統(tǒng)符合國家電磁閥性能測試標(biāo)準(zhǔn)，并且該系統(tǒng)已獲得相應(yīng)軟件著作權(quán)。相較于傳統(tǒng)液壓CAT系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲得的電磁閥測試數(shù)據(jù)種類和完成的測試項(xiàng)目還較少，在10 kHz及以上高頻采樣階段數(shù)據(jù)顯示仍具有一定延時性，這些問題還需進(jìn)一步研究。