韋興平，車 暢，宋春華

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039)

數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手是各種加工組裝和設(shè)備維修中必不可少的工具。它以一定的轉(zhuǎn)矩擰緊各種螺栓螺釘，以保證機(jī)械設(shè)備的可靠聯(lián)接和正常使用[1-4]。數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手通常具有預(yù)置報警、峰值保持和示值跟蹤3種工作模式。其中預(yù)置報警模式使用最為頻繁，即預(yù)先設(shè)定需要的緊固轉(zhuǎn)矩，在擰緊過程中，當(dāng)緊固轉(zhuǎn)矩達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)矩值時，發(fā)出聲光報警，提示停止加力。在實際使用中，由于操作人員反應(yīng)的滯后，緊固轉(zhuǎn)矩往往超過預(yù)定的轉(zhuǎn)矩值。為更加準(zhǔn)確地控制緊固轉(zhuǎn)矩，需要把每次工作時超出預(yù)設(shè)值的最大轉(zhuǎn)矩值上傳到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計分析，便于適當(dāng)下調(diào)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)矩值。作為一種便攜設(shè)備，數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手的通信接口要求體積小、功耗低，因此，本文設(shè)計了一種基于CH341T芯片的USB通信接口，以實現(xiàn)數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。文中介紹了數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，給出了通信接口的硬件電路和下位機(jī)及上位機(jī)的軟件的設(shè)計思路與實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明，該通信接口電路硬件結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低，尤其適合于便攜式設(shè)備，具有良好的應(yīng)用前景。

1 數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手測量系統(tǒng)首先通過傳感器電橋把轉(zhuǎn)矩的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化，用信號調(diào)理電路對微弱的電信號進(jìn)行放大、濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，并通過LCD顯示出來。當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過預(yù)定值時蜂鳴器和LED發(fā)出聲光報警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手工作在預(yù)置報警模式時，把每次工作中超出預(yù)設(shè)值的最大轉(zhuǎn)矩值存放在單片機(jī)的Flash存儲器中。當(dāng)存儲器存滿后發(fā)出提示信息，然后通過USB接口把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，便于后續(xù)的分析處理。

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

下位機(jī)的硬件系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩測量模塊和通信模塊組成。轉(zhuǎn)矩測量模塊把轉(zhuǎn)矩值轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送到STC12LE5410AD單片機(jī)進(jìn)行處理，得出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。USB通信模塊的接口芯片采用CH341T實現(xiàn)USB口轉(zhuǎn)串口的功能，將超出預(yù)設(shè)值的最大轉(zhuǎn)矩值上傳到上位機(jī)，實現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.1 轉(zhuǎn)矩測量模塊

轉(zhuǎn)矩測量模塊主要電路如圖2所示。在設(shè)計中，傳感器電橋每個橋臂上的基本電阻值為1 kΩ，采用全橋方式連接，放大器選用美國BB公司生產(chǎn)的INA122精密儀表放大器。該放大器具有非常低的靜態(tài)電流和很寬的電壓范圍，在單電源供電時，電壓范圍為2.2～36 V，外圍電路簡單，只需加上1個電阻，可設(shè)定5～10 000倍的任意增益值。模/數(shù)轉(zhuǎn)換選用12位的AD轉(zhuǎn)換器ADS7822，其電源輸入電壓范圍為2.7～3.6 V，8腳MSOP封裝，采用串口方式與CPU相連。單片機(jī)選用STC12LE5410AD，工作電壓范圍為2.2～3.3 V，內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，自帶10k的Flash存儲器。為此，電路中的元件只需3 V電壓即可正常工作。

圖2 扭矩測量電路圖

2.1.2 通信模塊

USB通信模塊的接口芯片選用的是CH341T[5-6]。CH341T是南京沁恒電子有限公司推出的USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)接芯片，它能提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號及常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，可為計算機(jī)擴(kuò)展異步串口或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線，兼容USB V2.0，外圍電路簡單，只需晶振和電容，支持5 V電源電壓和3.3 V電源電壓，采用SSOP-20的無鉛封裝。

數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手與PC機(jī)之間的USB接口電路如圖3所示，J1表示上位機(jī)的USB端口，CH341T的VD+引腳、VD-引腳分別與USB總線的數(shù)據(jù)線VD+、VD-直接相連。MCU_RXD和MCU_TXD分別表示數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手中單片機(jī)的RXD、TXD引腳，分別與CH341T的TXD引腳和RXD引腳相連。TEN#為串口發(fā)送使能引腳，低電平有效，當(dāng)其為高電平時，CH341T將暫停從串口發(fā)送數(shù)據(jù)，在設(shè)計中直接連到地。CH341T的電源引腳與數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手電源端連在一起，均為3 V。

圖3 單片機(jī)與上位機(jī)的通信電路圖

2.2 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計

CH341T通信操作采用虛擬串口方式，通過USB總線可以提供異步串口。在Windows操作系統(tǒng)下，可以利用CH341T的驅(qū)動程序來直接仿真標(biāo)準(zhǔn)串口。該仿真串口與大部分串口應(yīng)用程序完全兼容，通常在使用時，不需要修改任何程序，便可利用RS232通信協(xié)議對USB總線進(jìn)行操作[7]。在設(shè)計中，采用單片機(jī)定時器/計數(shù)器T1來產(chǎn)生下位機(jī)波特率。將T1設(shè)置為定時器，工作方式2，即把定時器T1設(shè)置為2個8位的自動重裝方式。波特率設(shè)置為9 600，單片機(jī)的晶振頻率為11.0592 M，則T1定時器對應(yīng)的初值為十六進(jìn)制數(shù)0xFD。對單片機(jī)定時器和串口初始化主要程序如下：

void Serial_Initialization(void)

{

TMOD=0x20; //T1定時器工作方式2

TH1=0xFD; //波特率為9600；

TL1=0xFD;

SCON=0x50; //串口為工作方式1；

ET1=0; //打開T1中斷

EA=1; //打開總中斷

ES=1; //允許串口中斷

TR1=1; //定時器T1開始定時

}

由于數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手在工作時無須立刻將數(shù)據(jù)上傳，只在Flash存儲器滿的時候發(fā)出報警提示，因此，連上USB線后，系統(tǒng)通過按鍵切換進(jìn)入通信模式，從上位機(jī)發(fā)送一個開始通信的信號，把最大轉(zhuǎn)矩值上傳到上位機(jī)。系統(tǒng)的通信子程序流程圖如圖4所示。

3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 CH341T驅(qū)動程序

從南京沁恒電子有限公司的網(wǎng)站[5]下載CH341T接口驅(qū)動程序包CH341SER，并將下位機(jī)通過USB線與計算機(jī)相連，然后按照軟件提示步驟進(jìn)行安裝。驅(qū)動程序安裝成功后，在上位機(jī)的“設(shè)備管理器”中除了正常的串口1和串口2外，增加了一個虛擬串口COM5，其顯示信息如圖5所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用VB6.0進(jìn)行開發(fā)，利用VB提供的MSComm串行通信控件來完成。MSComm控件具有完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。通過該控件，PC 機(jī)可以利用串行口與單片機(jī)實現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。MSComm不是內(nèi)部控件，必須加載后才能使用[8-10]。該控件的事件響應(yīng)有2種方式：事件驅(qū)動方式和查詢方式。在設(shè)計中，按照與下位機(jī)的約定，對VB中的MSComm控件的主要屬性設(shè)置如下：設(shè)置通信端口號為COM5(對應(yīng)上位機(jī)的虛擬串口號) ；接收緩沖區(qū)的大小為512字節(jié)；波特率為9 600, 無校驗位, 8位數(shù)據(jù)位，1位停止位；利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通信事件。數(shù)據(jù)接收完畢后，算出轉(zhuǎn)矩的平均值、最小值和最大值，并把各個數(shù)據(jù)以文件的形式寫到計算機(jī)硬盤中，便于數(shù)據(jù)查詢和打印。上位機(jī)的界面如圖6所示。

圖4 通信子程序流程圖

圖5 CH341T虛擬串口(COM5)

圖6 上位機(jī)軟件界面

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

通信時，上位機(jī)將收到的每一個字節(jié)數(shù)據(jù)先保存到一個數(shù)組中，待接收數(shù)據(jù)完畢后，軟件自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實驗時把數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手設(shè)置為預(yù)置報警模式，預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)矩值為5 N·m ，利用數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手對一螺栓進(jìn)行30次緊固操作后，通過USB接口把每次緊固時超出預(yù)設(shè)值的最大轉(zhuǎn)矩值上傳到上位機(jī)，運行界面如圖6所示。圖6的上位機(jī)軟件顯示了轉(zhuǎn)矩設(shè)定值、數(shù)據(jù)個數(shù)，并自動計算出轉(zhuǎn)矩最小值、轉(zhuǎn)矩最大值和轉(zhuǎn)矩平均值。從圖中可看出，每次緊固的實際轉(zhuǎn)矩值均超出了設(shè)定轉(zhuǎn)矩值5 N·m ，最小轉(zhuǎn)矩值為5.11 N·m，最大轉(zhuǎn)矩值為5.87 N·m，平均轉(zhuǎn)矩值為5.51 N·m 。如果需要實際緊固的轉(zhuǎn)矩值為5 N·m ，則考慮適當(dāng)下調(diào)數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)矩值。

5 結(jié)束語

為解決數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手通信接口體積小、功耗低的問題，采用CH314T為接口轉(zhuǎn)換芯片，利用USB接口實現(xiàn)了數(shù)顯轉(zhuǎn)矩扳手與上位機(jī)的通信。采用VB6.0開發(fā)上位機(jī)軟件，對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，自動找出最大轉(zhuǎn)矩值、最小轉(zhuǎn)矩值及轉(zhuǎn)矩平均值并顯示出來。經(jīng)系統(tǒng)實際運行結(jié)果表明，該通信接口數(shù)據(jù)傳輸可靠、功耗低、體積小，尤其適合于便攜式設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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