黃鶯

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 柳州 545007）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，液壓系統(tǒng)在機(jī)械行業(yè)和領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)與可靠性在對(duì)工程機(jī)械本身的工作性能與可靠性有很大程度的影響，因此如何設(shè)計(jì)好液壓系統(tǒng)或維護(hù)好已有的液壓系統(tǒng)尤其關(guān)鍵。液壓油溫度、油箱壓力是液壓系統(tǒng)中主要參數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，具有重要的意義。液壓油溫度過(guò)高時(shí)，加速橡膠密封件的老化，降低使用壽命；加速泄漏，液壓泵容積效率和整個(gè)系統(tǒng)效率顯著下降；加速油液氧化變質(zhì)，油的使用壽命降低；零部件受熱變形，破壞系統(tǒng)平衡等[1]；液壓系統(tǒng)的壓力失常會(huì)降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件速度和精度。實(shí)時(shí)監(jiān)控這些參數(shù)直接反映了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以通過(guò)改變這些參數(shù)來(lái)調(diào)控整個(gè)液壓系統(tǒng)，達(dá)到更好的控制效果[2]。因此，本設(shè)計(jì)旨在實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的液壓、液壓油的溫度，以防系統(tǒng)參數(shù)變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，并能對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，從而為液壓系統(tǒng)的故障診斷提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（發(fā)射節(jié)點(diǎn)）和中心節(jié)點(diǎn)（接收節(jié)點(diǎn)）通信構(gòu)成的一個(gè)典型的無(wú)線傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)主要是完成參數(shù)的采集，比如溫度、壓力和流量。接收節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的接收和處理中心，采集來(lái)自發(fā)射節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，作為顯示、存儲(chǔ)、處理，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，還可以把采集的信息通過(guò)GSM以短信形式通知用戶。PC機(jī)主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表的生成打印。具體如圖1整體系統(tǒng)框圖所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析和研究，在充分考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安裝簡(jiǎn)捷性，節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)體積要小，采用2051單片機(jī)作為控制器。對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)，考慮到要接顯示模塊電路，所需引腳數(shù)較多，剛采用了AT89S51[3]。

2.2 傳感器

溫度傳感器采用單片集成兩端感溫電流源AD590，測(cè)溫范圍為-55~+150℃，非線性誤差僅為±0.3℃，精度高，其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273℃）為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會(huì)增加1μA輸出電流，輸出電流與絕對(duì)溫度成比例。在室溫25℃時(shí)，其輸出電流I out=（273+25）=298μA。電流經(jīng)過(guò)電阻分壓輸入到信號(hào)放大電路進(jìn)行處理后接入A/D轉(zhuǎn)換器。具體的電路如圖2所示。壓力傳感器采用的是AP801系列傳感器。AP801系列壓力傳感器是陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷壓阻壓力傳感器，測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠。本傳感器量程為0～20 MPa，供電電壓為5～30 V。由于傳感器輸出電信號(hào)較小，必須經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路處理，再輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

圖2 AD590溫度傳感器電路圖Fig.2 AD590 temperature sensor circuit diagram

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路

TLC549是TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17μs，最大轉(zhuǎn)換速率為40 000 Hz，4 MHz典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為3 V至6 V。它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)。MCU與TLC549連接電路圖如圖3所示。CLK、VIN、DO、CS分別連接到MCU的引腳上，實(shí)現(xiàn)與MCU之間的通信。

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路Fig.3 AD conversion circuit

2.4 無(wú)線發(fā)射和接收電路

nRF24AP2是Nordic公司低成本高性能的2.4 GHz無(wú)線系列成員之一，是目前市場(chǎng)上最低功耗的組網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用方案。支持簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜的組網(wǎng)應(yīng)用，內(nèi)嵌ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧，只需極少的外部微處理器資源，就可以在產(chǎn)品應(yīng)用中啟用ANT連接。因此開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)注其無(wú)線協(xié)議的細(xì)節(jié)及過(guò)程，無(wú)需關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)低功耗及喚醒，只需根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置就可以完成網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及應(yīng)用，大大加快了開(kāi)發(fā)周期。主控單片機(jī)可以通過(guò)控制輸入引腳PORTSEL引腳的電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同的模式通信，PORTSEL引腳設(shè)為低則選擇異步模式，PORTSEL引腳設(shè)為高則選擇同步模式；由BR3、BR2和BR1設(shè)置通信的波特率。nRF24AP2電路圖如圖4所示。

圖4 nRF24AP2電路圖Fig.4 nRF24AP2 circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ANT協(xié)議分析

3.1.1 節(jié)點(diǎn)和信道

節(jié)點(diǎn)分為主節(jié)點(diǎn)（Master）和從節(jié)點(diǎn)（Slave）。信道是ANT協(xié)議中最基本、最直接的通信路徑，用以連接節(jié)點(diǎn)完成通信。ANT協(xié)議中，每條信道至少包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)從節(jié)點(diǎn)。由于其采用TDMA機(jī)制，所以某一個(gè)節(jié)點(diǎn)在作為一條信道的主節(jié)點(diǎn)的同時(shí)也可以作為另外一條信道的從節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由一個(gè)MCU和一個(gè)ANT芯片組成，MCU可以采用同步或異步的串行接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

3.1.2 ANT數(shù)據(jù)

ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本工作方式有廣播方式、應(yīng)答方式方法和突發(fā)方式，因此主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的有廣播數(shù)據(jù)、應(yīng)答數(shù)據(jù)和突發(fā)數(shù)據(jù)。信息在數(shù)據(jù)鏈路層以幀為單位進(jìn)行傳送，分配各個(gè)信息字段含義的組織方式稱為幀格式。每一個(gè)信息以一個(gè)同步字節(jié)開(kāi)始并一個(gè)校驗(yàn)和結(jié)束，字節(jié)傳輸?shù)氖堑臀辉谙?。信息結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ANT信息結(jié)構(gòu)表Tab.1 ANT information structure table

信息的組成如表2所示。

表2 信息內(nèi)容組成表Tab.2 Information content table

3.1.3 信道配置和節(jié)點(diǎn)配對(duì)

ANT節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)通信之前，必須對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)，對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行配置。對(duì)信道參數(shù)的配置包括以下幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)號(hào)，射頻頻率，信道類型，信道周期和信道ID。

在信道參數(shù)配置時(shí)，要求主從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)號(hào)、射頻頻率和信道周期等參數(shù)設(shè)置完全一致，信道類型設(shè)置也必須一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于信道ID參數(shù)，應(yīng)該按照從節(jié)點(diǎn)遵循主節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置的原則進(jìn)行配置。只有具備有相同信道ID的節(jié)點(diǎn)才允許配對(duì)。這一部分參數(shù)的配置，通過(guò)串口方式在ANT協(xié)議內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置和控制即可。

3.2 應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

通過(guò)串口方式在ANT協(xié)議內(nèi)部對(duì)用戶數(shù)據(jù)部分進(jìn)行設(shè)置和控制。ANT協(xié)議基本數(shù)據(jù)幀中有8個(gè)字節(jié)可以由用戶進(jìn)行分配使用。具體如表3所示。

表3 用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成表Tab.3 User data constitute sheet

Data_1和Data_2作為從節(jié)點(diǎn)地址，在通信之前由主節(jié)點(diǎn)設(shè)置初始化共享信道。從節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址判斷數(shù)據(jù)包是不是發(fā)給自己，如果目的地址與自己的地址相同，則進(jìn)行相應(yīng)的的數(shù)據(jù)處理，如果不是自己地址，不進(jìn)行任何處理。Data_3表示數(shù)據(jù)包中包含的用戶數(shù)據(jù)類型，這個(gè)可以用來(lái)對(duì)不同參數(shù)的控制。Data_4…Data_8長(zhǎng)度可變，由用戶自行定義。

3.3 節(jié)點(diǎn)底層設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)底層設(shè)計(jì)主要完成與硬件的通信控制，主要包括硬件初始化、MCU與nRF24AP2芯片間的通信。

3.3.1 硬件的初始化

這一功能主要是設(shè)置硬件工作的方式。MCU可以通過(guò)控制輸入引腳PORTSEL引腳的電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同的模式通信，PORTSEL引腳設(shè)為低則選擇異步模式，PORTSEL引腳設(shè)為高則選擇同步模式；由BR3、BR2和BR1設(shè)置通信的波特率。同時(shí)設(shè)置SUSPEND為高，SLEEP為低。

3.3.2 MCU與nRF24AP2芯片間的通信

MCU與nRF24AP2芯片間的通信用異步串口的方式進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)流是通過(guò)RTS信號(hào)進(jìn)行。RTS信號(hào)將在接收到一個(gè)格式正確的消息后拉高大約50μs時(shí)間。RTS信號(hào)周期與速率無(wú)關(guān)。當(dāng)ANT將RTS信號(hào)置高后，主控MCU將不會(huì)再發(fā)送任何數(shù)據(jù)，直到RTS信號(hào)再次拉低。從ANT到主控MCU方向沒(méi)有數(shù)據(jù)流控制信號(hào)，所以MCU必須具備隨時(shí)接收來(lái)自ANT數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)的讀寫過(guò)程是：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先把數(shù)據(jù)放入串口緩沖區(qū)，通過(guò)串口發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，先將接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，然后再?gòu)木彌_區(qū)中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.3.3 上位機(jī)監(jiān)控通信軟件的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)在線采集、顯示、存儲(chǔ)與查看及數(shù)據(jù)處理等功能。VB6.0不但提供了良好的界面設(shè)計(jì)能力，還提供MSComm控件。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，只需設(shè)置MSComm控件的屬性和事件，然后按照相應(yīng)的通訊規(guī)約就可以實(shí)現(xiàn)串行通訊，非常方便。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試在上述的3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，中心控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行連接。通過(guò)PC上的液壓監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)2個(gè)從節(jié)點(diǎn)溫度和壓力數(shù)值進(jìn)行采集。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在PC上運(yùn)行液壓監(jiān)控系統(tǒng)后，可以正確讀取液壓系統(tǒng)中的溫度和壓力數(shù)值。對(duì)每一個(gè)參數(shù)還設(shè)定了上限報(bào)警值和下限報(bào)警值。如果測(cè)量的數(shù)值超過(guò)上、下限報(bào)警值，相應(yīng)的信號(hào)指示燈由綠色變?yōu)榧t色。具體如圖5所示。本系統(tǒng)主要是依靠專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)診斷液壓系統(tǒng)的溫度、壓力等參數(shù)變化來(lái)診斷系統(tǒng)故障[6]。采用超低功耗的芯片nRF24AP2和單片機(jī)構(gòu)成無(wú)線液壓檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)溫度和壓力，闡述了系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)，并用Visual Basic 6.0為開(kāi)發(fā)液壓檢測(cè)軟件，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)保存、打印功能。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、操作快捷、性價(jià)比高，能夠滿足液壓元件測(cè)試要求，可以應(yīng)用其它到液壓系統(tǒng)。

圖5 液壓監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 Test results of hydraulic monitoring systems test results

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