孔祥濤，林明星，周生良，楊文豪

(山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南250061)

在機械傳動系統(tǒng)中，扭矩是反映系統(tǒng)性能的典型機械量之一，扭矩測試己成為傳動軸開發(fā)研究、質(zhì)量檢驗、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測和故障診斷等必不可少的內(nèi)容［1］。應(yīng)變型扭矩測量技術(shù)有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等特點，具有廣泛的應(yīng)用［2］。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是最近幾年發(fā)展起來的多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的熱點前沿技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有短距離、低功耗、低速率、高可靠性、組網(wǎng)容易等特點［3］。文中設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的傳動軸扭矩監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)車間現(xiàn)場傳動軸扭矩的無線傳輸，并組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)通過RS232串口傳到上位機進行處理顯示并保存數(shù)據(jù)，在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控中具有良好的應(yīng)用前景。

1 ZigBee技術(shù)和CC2430芯片

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種新興近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，ZigBee的這些特點決定了其非常適合應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域?qū)懈蟮陌l(fā)展空間［4］。ZigBee技術(shù)的開發(fā)利用是基于ZigBee聯(lián)盟制定的協(xié)議棧來實現(xiàn)的，ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，它規(guī)定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層，ZigBee聯(lián)盟則定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)［5］。

目前很多大的公司為了快速開發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、縮短開發(fā)周期，都在自己公司生產(chǎn)的無線射頻芯片中植入了ZigBee協(xié)議，這其中以Texas Instruments公司生產(chǎn)的CC2430無線集成射頻芯片應(yīng)用最為廣泛［6］。

CC2430是一種真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本、低功耗的要求。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，它使用1個增強型8051內(nèi)核，具有32、64和128 kB 3種可編程閃存和8 kB的RAM，還包含8～14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、4個定時器 (Time)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳，只需要很少的外圍元器件就可構(gòu)成ZigBee節(jié)點。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn);在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27或25 mA［7］。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)是基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下3種:星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D1［8］。網(wǎng)絡(luò)中存在3種節(jié)點:協(xié)調(diào)器節(jié)點 (FFD)、路由節(jié)點 (FFD)、終端節(jié)點 (RFD)，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、收集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理顯示以及上傳到上位機;路由節(jié)點主要負(fù)責(zé)維護路由、數(shù)據(jù)采集以及轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點數(shù)據(jù);終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)扭矩值的采集并發(fā)送數(shù)據(jù)。文中采用利于擴展節(jié)點和維護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的樹型網(wǎng)絡(luò)來組建傳動軸扭矩監(jiān)測系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)的工作過程為:協(xié)調(diào)器節(jié)點上電初始化后，組建網(wǎng)絡(luò)并等待子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點和部分終端節(jié)點上電初始化后申請加入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點開啟路由功能，大部分終端節(jié)點最后選擇路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點利用傳感器采集扭矩值并通過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理并上傳到上位機。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點和路由節(jié)點都是數(shù)據(jù)采集節(jié)點，其硬件電路基本相同，數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由電阻應(yīng)變片組成的應(yīng)變電橋、信號調(diào)理電路、無線射頻芯片、電源處理模塊等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點基本結(jié)構(gòu)圖

工作原理是:由于傳動軸受力產(chǎn)生變形，而使應(yīng)變電橋中的電阻值改變，輸出毫伏級的電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的濾波和放大，傳到CC2430芯片進行AD轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)調(diào)制通過天線轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器進行處理。

電源采用供電時間較長、功率承受高的ICR14500鋰電池，標(biāo)稱電壓為3.7 V，將兩塊鋰電池并聯(lián)延長供電時間。利用TPS61085和TL431芯片將電壓穩(wěn)定到5 V供應(yīng)電橋電路和信號調(diào)理電路;再利用ASM1117芯片變壓至3.3 V提供給CC2430射頻處理模塊。

應(yīng)變電橋電路由4片電阻值相同的電阻應(yīng)變片組成，應(yīng)變片選用康銅箔制成，靈敏系數(shù)高，4片電阻應(yīng)變片按±45°方向粘貼在實心或空心傳動軸上組成全橋測量電路，如圖3和圖4所示，根據(jù)應(yīng)變與扭矩的計算公式，可得出扭矩值［1］。

對于實心軸:

對于空心軸:

其中:M為扭矩;E為傳動軸材料彈性模量;D為傳動軸外徑，d為傳動軸內(nèi)徑;μ為傳動軸材料泊松比;K為應(yīng)變片靈敏系數(shù);W為傳動軸抗扭截面系數(shù);U為電橋勵橋電壓;ΔE為電橋輸出電壓，一般為毫伏級信號。

圖3 電阻應(yīng)變片的粘貼方式

圖4 全橋式測量電路

圖5 低通濾波和放大電路

為了進一步降低干擾，對AD623的輸出電壓Vout再利用OPA340放大器進行RC有源低通濾波，電路圖見圖6。經(jīng)過處理后的電壓信號輸入CC2430引腳P0.0進行AD轉(zhuǎn)換，采用AVDD_SOC引腳電壓作為參考電壓。主控模塊基本外圍電路圖見圖7。

圖6 RC有源低通濾波路

圖7 數(shù)據(jù)采集節(jié)點基本外圍電路

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

在一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，一般只有一個協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)發(fā)起組建網(wǎng)絡(luò)，允許子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)并上傳至PC機。協(xié)調(diào)器節(jié)點由電源管理模塊、LED顯示模塊、串口轉(zhuǎn)USB模塊、處理器CC2430通信模塊等組成。電源管理模塊為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運行所需要的能量，采用持續(xù)供電;LED顯示模塊顯示協(xié)調(diào)器模塊是否組網(wǎng)成功、接收數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)等狀態(tài)信息;串口轉(zhuǎn)USB模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換CC2430模塊與PC機的通信信號;CC2430通信模塊負(fù)責(zé)接收和存儲數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送來的信息，同時通過串口與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點串口接口設(shè)計如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點串口電路設(shè)計

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計

文中Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點是網(wǎng)路中的第一個節(jié)點，主要功能是啟動網(wǎng)絡(luò)的建立、接收數(shù)據(jù)等。協(xié)調(diào)器節(jié)點首先執(zhí)行信道掃描，若發(fā)現(xiàn)有合適的信道，為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個合適的PAN ID然后進入監(jiān)聽狀態(tài)，隨時響應(yīng)其他節(jié)點的入網(wǎng)請求，允許其加入網(wǎng)絡(luò)并分配16位短地址，接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳來的扭矩值處理顯示，再通過串口傳給上位機，圖9是協(xié)調(diào)器節(jié)點的基本流程圖。系統(tǒng)初始化主要是針對協(xié)議棧、I/O口、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、UART串口等進行。

圖9 協(xié)調(diào)器節(jié)點基本流程圖

扭矩值采集節(jié)點首先是系統(tǒng)初始化，再初始化協(xié)議棧，搜尋網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出請求入網(wǎng)指令，加入網(wǎng)絡(luò)后，如果是路由節(jié)點，并處理路由功能。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點則隨時準(zhǔn)備數(shù)據(jù)采集并發(fā)送。圖10分別是路由節(jié)點和終端節(jié)點的基本流程圖。

圖10 路由和終端節(jié)點基本流程圖

ZigBee協(xié)議是通過服務(wù)原語進行組網(wǎng)通信的。協(xié)調(diào)器節(jié)點采用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語來啟動一個新的網(wǎng)絡(luò)建立。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，其他節(jié)點就會使用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語檢測是否有網(wǎng)絡(luò)存在并申請加入。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點扭矩采集采用電橋輸出電壓調(diào)理放大后輸入CC2430的P0.0口進行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計見圖11。

圖11 CC2430芯片的ADC進行扭矩采樣

4 配置監(jiān)測模塊

配置監(jiān)測模塊采用C#編寫，用于對協(xié)調(diào)器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行保存、顯示。配置監(jiān)測模塊界面如圖12所示，可以顯示選定節(jié)點的當(dāng)前值、平均值、最大值、最小值，相關(guān)函數(shù)有:

serialPort1_Initialization();初始化串口

timer1();定時觸發(fā)后，發(fā)送指令

Torque_calculate_Data();計算扭矩的均值、極值

Torque_save_Data();保存扭矩數(shù)據(jù)

圖12 配置監(jiān)測模塊界面

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于CC2430芯片和ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)扭矩監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)容易、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，為車間現(xiàn)場監(jiān)測多個傳動軸扭矩值提供了可能性，對生產(chǎn)安全、工人人身安全的提高具有重要意義。系統(tǒng)適用于傳動軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不是很高的場合，在未來的工作中，需要解決高速旋轉(zhuǎn)對信號無線傳輸?shù)挠绊憽?/p>

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