吳運(yùn)新，石文澤

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

0 引言

混凝土泵車是一種移動(dòng)式的工程機(jī)械，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，維護(hù)難度大，是一個(gè)典型的承受交變動(dòng)載荷的懸臂梁結(jié)構(gòu)［1］.由于泵送系統(tǒng)的換向沖擊和臂架回轉(zhuǎn)的慣性沖擊引起泵車的抖動(dòng)和共振，鋼結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生疲勞裂紋［2］;且液壓泵始終在高壓大流量狀態(tài)下工作，雙缸換向頻繁，液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)系統(tǒng)故障(油溫過高、內(nèi)部泄露)和元件故障(油泵軸扭斷、電磁鐵燒壞).因此采取恰當(dāng)?shù)慕】当O(jiān)測手段，準(zhǔn)確把握泵車的運(yùn)行狀態(tài)信息，對泵車的安全使用、預(yù)判性地安排維護(hù)計(jì)劃具有重要的意義［3］.

易小剛等采用虛擬儀器PXI-1052采集平臺及SCXI-1520信號調(diào)理卡，在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了信號的采集和處理［1］，雖然具有很高的采樣頻率和信號精度，但是成本很高、線路繁多、測點(diǎn)布置困難.郭文川等采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)［4］，雖然解決了布線復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)功耗大等問題，但是卻忽視ZigBee傳輸速率相對較慢、傳輸穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn).為此，筆者研究開發(fā)了一套混凝土泵車監(jiān)測系統(tǒng)，在易布置測點(diǎn)和走線靈活的部件采用CAN總線傳輸，否則采用ZigBee無線發(fā)送，既解決了測點(diǎn)布置不靈活和線路復(fù)雜等問題，又最大限度地滿足了采樣頻率的要求，提高監(jiān)測效率，降低成本.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)傳輸方案

CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，借助接受濾波的多址接受濾波傳送，受干擾概率低，最大傳輸速率達(dá)1 Mbit/s，最大傳輸距離達(dá)10 km，而且可以減少連接線的數(shù)量，避免連接線信號相互干擾，大大減少出錯(cuò)機(jī)率和維護(hù)難度［5-6］，故本系統(tǒng)在方便布線的測點(diǎn)優(yōu)先采用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，例如布置在泵車的轉(zhuǎn)塔和轉(zhuǎn)塔處的加強(qiáng)筋板等易開裂處的測點(diǎn).對于布置在泵車4節(jié)臂架的連接銷子、主焊縫、U型板和頂板母材等易開裂處的測點(diǎn)，不方便布線，采用具有近距離、低功耗、低成本、時(shí)延短、方便路由、網(wǎng)絡(luò)容量大及高可靠性等特點(diǎn)的無線ZigBee傳輸方式［7-8］.

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳輸和狀態(tài)監(jiān)測兩部分組成.數(shù)據(jù)采集傳輸部分負(fù)責(zé)對臂架傾角及加速度、開裂故障頻發(fā)及對泵車安全影響大的部位的應(yīng)變和各個(gè)油缸壓力及溫度進(jìn)行采集、調(diào)理并轉(zhuǎn)換，通過無線ZigBee和CAN總線上傳至工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對泵車狀態(tài)信息的統(tǒng)一采集和管理.主要由:泵車結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、振動(dòng)以及泵送油路等信息傳感器;數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊;ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊;CAN總線采集模塊4部分組成.狀態(tài)監(jiān)測和危險(xiǎn)預(yù)警部分主要由運(yùn)行于工控機(jī)和數(shù)據(jù)庫管理軟件組成，狀態(tài)監(jiān)測軟件負(fù)責(zé)總線適配器的配置和泵車狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀取;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，以動(dòng)態(tài)曲線及特征量的形式對各狀態(tài)量進(jìn)行顯示;對超出系統(tǒng)設(shè)定警戒值的狀態(tài)量進(jìn)行預(yù)警判斷;將各狀態(tài)量通過GPRS上傳至本地或者統(tǒng)一的維護(hù)監(jiān)控中心進(jìn)行管理;通過RS485總線將狀態(tài)量送到現(xiàn)場顯示屏，供施工人員參考;實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢、回放、時(shí)域分析、頻域分析和相關(guān)性分析.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.1 The system composing block diagram

1.3 應(yīng)變的獲取

應(yīng)變信號主要通過應(yīng)變片來捕捉，動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀精度雖很高，但體積大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，因此本系統(tǒng)采用四片具有高精度低功耗特點(diǎn)的350 ΩBHF系列箔式電阻應(yīng)變片組建惠斯通電橋.相鄰的兩片分別作為測量片和溫度補(bǔ)償片，另外兩片作為比較臂.通過電路電橋?qū)?yīng)變及電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再經(jīng)過MAX4196(Ay=10)將其放大10倍，最后通過MAX1452對其進(jìn)行信號的調(diào)理和補(bǔ)償，最終輸出0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出.MAX1452的信號調(diào)理與補(bǔ)償原理如圖2所示.

MAXl452是一款高度集成、可優(yōu)化阻型元件的模擬傳感器信號處理芯片，具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能.由圖2可知

式中:UOUT是 MAX1452模擬輸出電壓;UINP和UINM分別是電橋的正輸入端和負(fù)輸入端電壓;UIRO為傳感器輸入端粗調(diào)偏移電壓;PGA為增益放大倍數(shù);UOFFSETDAC和 UOFFSETTCDAC分別是偏移量校準(zhǔn)DAC和偏移量溫度系數(shù)DAC電壓.

采用YE1940A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和等強(qiáng)度梁對該應(yīng)變調(diào)理傳感裝置進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，根據(jù)泵車鋼材的屈服應(yīng)力和易開裂部位的應(yīng)力水平，結(jié)合精度要求確定(-7 000)～(+7 000)με的可測范圍，該量程下的最大誤差低于總量程的8‰.

圖2 MAX1452補(bǔ)償原理圖Fig.2 The principle diagram of MAX1452 compensating

2 系統(tǒng)硬件

2.1 數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊

該模塊包括信號調(diào)理提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線收發(fā)器和電源穩(wěn)壓電路，主要完成物理信號的調(diào)理、采樣和轉(zhuǎn)換并接收ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊的命令幀，回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀或狀態(tài)幀.

信號獲取調(diào)理電路包括電橋和信號調(diào)理芯片，主要用于應(yīng)變信號的調(diào)理.模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用低功耗、8通道、4 MHz輸出帶寬、200 ksps轉(zhuǎn)換速率、16位精度的芯片MAX1168.單片機(jī)采用最高8 MIPS處理能力、低功耗、集成SPI串行外圍接口和SCI串行通訊接口的8位芯片ATmegal128L-8AU.無線收發(fā)器采用專注于20～250 kbps低傳輸速率并具有ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻收發(fā)器CC2420.電平轉(zhuǎn)換利用8位雙向電平轉(zhuǎn)換芯片NH245來實(shí)現(xiàn)3.3 V數(shù)據(jù)總線和5.0 V數(shù)據(jù)總線之間的相互通信.電源穩(wěn)壓電路采用1塊大容量鋰電池和2片帶線性穩(wěn)壓器的升壓型DC-DC變換器 MAX1706，為 MAX1452的供電電壓、MAX1168和ATmegal128-16AU的模擬參考電壓提供線性穩(wěn)壓 5.0 V，并分別為 CC2420、MAX1168和ATmegal128-16AU數(shù)字供電電壓提供DC-DC直流升壓3.3、5.0 V.當(dāng)鋰電池電壓低于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，將產(chǎn)生中斷信號到ATmegal128的中斷引腳，停用所有耗電設(shè)備，防止鋰電池的過度損耗.

該模塊工作過程主要包括以下內(nèi)容.

(1)調(diào)理器初始化，當(dāng) MAX1452需要調(diào)整時(shí)，將其UNLOCK引腳置為高電平，進(jìn)入配置模式，ATmegal128通過串行通訊接口USART向其EEPROM中寫入相關(guān)的配置參數(shù);若不需要，將其UNLOCK引腳置為低電平，上電后自動(dòng)加載配置參數(shù)，進(jìn)入工作模式，ATmegal128則通過串行外圍接口SPI向CC2420寫入初始化參數(shù)，使其處于接收狀態(tài).

(2)接收指令啟動(dòng)采集，當(dāng)收到ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊的請求該節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令后，ATmegal128由SPI接口向MAX1168的DIN引腳寫入帶轉(zhuǎn)換通道的指令，隨后通過其DOUT引腳返回轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，并由EOC引腳產(chǎn)生中斷到AT-megal128，保證轉(zhuǎn)換快速高效進(jìn)行.

(3)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，將源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量等打包成IEEEIEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀后，ATmegal28經(jīng)由SPI接口將該幀通過CC2420的SI引腳寫入TXFIFO發(fā)送寄存器中，通過SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳返回其數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，在成功建立通信連接且發(fā)送通道空閑時(shí)，再將TXFIFO中數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去.

2.2 ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊

該模塊包括電源穩(wěn)壓電路、無線收發(fā)器、單片機(jī)、CAN控制器和CAN控制器接口.

電源穩(wěn)壓電路:泵車主要使用+12V/+24V的直流電源，通過直流降壓電壓調(diào)節(jié)芯片(LM2575-5.0T)降壓得到+5 V的穩(wěn)定電壓，再通過線性降壓器(REG1117-3.3)可以輸出+3.3 V的穩(wěn)定電壓.

CAN控制器:采用MCP2515，它是一款獨(dú)立控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器，完全支持 CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，最高通訊速率達(dá)1 Mbps.

CAN控制器接口:采用PCA82C250，它是一種提供CAN控制器和CAN物理總線之間互聯(lián)接口，能夠兼容不同類型的總線數(shù)據(jù)包發(fā)送和CAN控制器數(shù)據(jù)幀接收.

多個(gè)數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊與ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊之間的通信采用分時(shí)技術(shù)將點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式轉(zhuǎn)為點(diǎn)對點(diǎn)的通信.當(dāng)Zig-Bee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊收到來自CAN總線的請求該節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令后，將建立與所有數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊無線通信地址列表，并為每個(gè)數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊分配唯一地址，然后依次輪詢每個(gè)數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送節(jié)點(diǎn)模塊，發(fā)出相應(yīng)帶地址信息的請求發(fā)送指令，啟動(dòng)該數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送子程序，而終止與其他數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊的通信.

2.3 CAN總線采集模塊

該模塊直接將采集的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并打包成CAN幀，完成信號的有線采集和總線傳輸.包括信號調(diào)理提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、CAN控制器和CAN控制器接口.

單片機(jī)ATmegal128首先完成MAX1452和MCP2515初始化設(shè)置，并使其處于工作模式.當(dāng)從CAN總線收到請求該節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令后，將啟動(dòng)MAX1168的采集轉(zhuǎn)換子程序，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量打包成CAN數(shù)據(jù)幀，送入CAN總線.

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由控制系統(tǒng)硬件完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的C語言程序與負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收與處理的泵車監(jiān)測軟件兩部分組成.

3.1 系統(tǒng)硬件C程序

在AVR STUDIO開發(fā)環(huán)境中，按照用戶程序開發(fā)思想編寫相應(yīng)的C語言，通過JTAG調(diào)試口下載到單片機(jī)中，主要完成芯片初始化設(shè)置、物理信號的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換、幀的封裝和解包、幀的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件模塊的數(shù)據(jù)采集傳輸功能.

3.2 監(jiān)測界面

應(yīng)用LabVIEW為平臺，以USBCAN按口卡為紐帶，構(gòu)建了泵車實(shí)時(shí)監(jiān)測界面.

3.2.1 總線適配器與設(shè)備驅(qū)動(dòng)

采用GY8508的USB CAN200總線適配器，通過LabVIEW中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)CLFN(Call Library Function Node)訪問生產(chǎn)廠商提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(VCI_CAN.DLL)的方法來驅(qū)動(dòng)該總線適配器.

3.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測界面主要采用基于生產(chǎn)者消費(fèi)者和基于事件結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)模式.基于事件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式具有高效，避免循環(huán)壓力過大的優(yōu)點(diǎn);而基于生產(chǎn)者消費(fèi)者的設(shè)計(jì)模式能保證數(shù)據(jù)無失真保存，解決幾個(gè)循環(huán)程序間數(shù)據(jù)共享，避免采用局部變量的數(shù)據(jù)傳輸模式而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失.

如圖3所示，左流程框圖為生產(chǎn)者循環(huán).在生產(chǎn)者循環(huán)中采用事件結(jié)構(gòu)，用于總線適配器的參數(shù)設(shè)置、打開和關(guān)閉、緩沖區(qū)清空、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表的建立、CAN幀的發(fā)送和接收.首先，向CAN總線發(fā)出CAN節(jié)點(diǎn)查詢指令，連接到CAN總線的每個(gè)CAN總線采集模塊節(jié)點(diǎn)在收到該指令后回復(fù)其CAN節(jié)點(diǎn)編號，而連接到 CAN總線的ZigBee接收與轉(zhuǎn)CAN模塊在收到該指令后會向處于同PAN ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)數(shù)據(jù)采集與Zig-Bee發(fā)送模塊發(fā)出ZigBee節(jié)點(diǎn)查詢指令，數(shù)據(jù)采集與ZigBee發(fā)送模塊節(jié)點(diǎn)在收到該指令后將回復(fù)其ZigBee節(jié)點(diǎn)編號.接著，統(tǒng)計(jì)所有回復(fù)的節(jié)點(diǎn)編號，建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表.然后，判斷是否有節(jié)點(diǎn)的增減.若有，則重新發(fā)送節(jié)點(diǎn)查詢指令，修改監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表;否則根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表記載的節(jié)點(diǎn)，依次向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令.若收到數(shù)據(jù)幀，則直接將其送入隊(duì)列，否則重新發(fā)出請求該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令.當(dāng)重新發(fā)送次數(shù)超過N時(shí)，表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不存在或者出故障，需要重新發(fā)送CAN節(jié)點(diǎn)查詢指令，以更新監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表.生產(chǎn)者循環(huán)將接收到的數(shù)據(jù)幀放入隊(duì)列中，等待消費(fèi)者循環(huán)處理.

圖3右流程框圖為消費(fèi)者循環(huán).在消費(fèi)者循環(huán)中也采用事件結(jié)構(gòu)，用于從隊(duì)列中取出CAN幀并解包、數(shù)字量的標(biāo)定、信號的實(shí)時(shí)曲線顯示及結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警、數(shù)據(jù)的存儲、信號特征值的提取分析和數(shù)據(jù)報(bào)表的生成.本系統(tǒng)采用比較高效、專門用于信號數(shù)據(jù)存儲文件格式TDMS來記錄歷史數(shù)據(jù)，可以在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)就將其保存到硬盤，在需要時(shí)還可以迅速讀回所需數(shù)據(jù)［9］.

圖3 主程序流程框圖Fig.3 Main procedure flow diagram

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以臂架在典型工況下有限元計(jì)算的應(yīng)力分布結(jié)果為參考，在計(jì)算應(yīng)力水平大、應(yīng)力梯度變化緩慢的部位和應(yīng)力梯度變化較大的部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試.如圖4所示為泵車特定工況下1號臂架某危險(xiǎn)部位應(yīng)變(單位:με)的歷史曲線和傅立葉變換后的幅頻曲線.

5 結(jié)論

圖4 實(shí)驗(yàn)測試時(shí)域及FFT變換頻域結(jié)果Fig.4 The experimental measurements in time and frequency domains

開發(fā)了一種體積小、安裝方便且滿足要求的低成本、低功耗測量應(yīng)變裝置實(shí)現(xiàn)了泵車應(yīng)力信號采集與分析;設(shè)計(jì)了基于CAN總線的信號傳輸方案與基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，極大地降低了系統(tǒng)出錯(cuò)機(jī)率和維護(hù)難度，并實(shí)現(xiàn)了單區(qū)域內(nèi)同時(shí)監(jiān)測數(shù)十個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn);在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對泵車的CAN網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測，能快捷方便地進(jìn)行信號的處理分析.

實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)可靠地實(shí)現(xiàn)了泵車關(guān)鍵部位(特別是臂架系統(tǒng))的應(yīng)力、傾角和加速度以及泵送液壓系統(tǒng)的溫度和壓力等信號的采集，通過提取信號中所隱含結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、振動(dòng)和泵送信息可以對泵車的健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)、危險(xiǎn)部位的準(zhǔn)確預(yù)測和設(shè)備故障的預(yù)知，以便及時(shí)安排維修，提高了泵車的使用性能，同時(shí)為疲勞壽命分析和健康監(jiān)測提供了可靠的依據(jù).

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