王 鵬，祁偉華，呂志剛

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安710032)

0 引 言

對擊錘是將有砧座錘的固定砧座轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒拥南洛N頭，依靠高壓氣體瞬間釋放的能量驅(qū)動上錘頭和下錘頭高速懸空對擊，從而使金屬工件發(fā)生塑性形變的鍛壓設(shè)備。對擊錘的打擊能量是鍛造成形時需要控制的主要參數(shù)，該參數(shù)的準(zhǔn)確測量是整個鍛造過程質(zhì)量控制和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的決定性條件。傳統(tǒng)的測試方法中需要在現(xiàn)場布置大量的儀器設(shè)備才能滿足連續(xù)生產(chǎn)過程的測試要求，存在攜帶不便、成本高、精度低、實(shí)時性不夠強(qiáng)、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)［1］。

本文采用嵌入式微處理器STM32 作為主控制芯片和433M 無線數(shù)傳模塊SI4432 搭建硬件平臺，設(shè)計(jì)了一種對擊錘能量無線測量儀，與傳統(tǒng)測量相比，本測量儀屬于綠色便攜式測量儀，具備低耗能、高精度、價格低廉等優(yōu)勢。

1 總體方案設(shè)計(jì)

儀器分為主機(jī)模塊、從機(jī)模塊兩部分。主機(jī)模塊負(fù)責(zé)采集位移、風(fēng)壓等參數(shù)，并處理數(shù)據(jù);從機(jī)模塊主要采集打擊過程中最大加速度數(shù)值。從機(jī)模塊和加速度傳感器均安裝在對擊錘的上錘頭上，通過對實(shí)時采集到的加速度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)的處理，從而計(jì)算出最大打擊力和打擊能量，通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)。主機(jī)模塊安裝在監(jiān)控中心，接收從機(jī)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時發(fā)送到LED 大屏，為現(xiàn)場工人對鍛造質(zhì)量控制和設(shè)備安全運(yùn)行提供可靠的科學(xué)依據(jù)。主機(jī)模塊和從機(jī)模塊采用相同的的硬件平臺［2］。主機(jī)、從機(jī)模塊之間利用無線通信實(shí)現(xiàn)100 m 的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig 1 Overall frame diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測量儀采用了微控制器STM32F103C8T6 和SI4432模塊結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，集取了Cortex－M3 內(nèi)核的性價比高、實(shí)時性強(qiáng)及SI4432 模塊耗能超低、功能齊全等特性，很好地實(shí)現(xiàn)了無線測量系統(tǒng)的低能耗、低成本、實(shí)時性強(qiáng)等性能。

2.1 加速度采集接口設(shè)計(jì)［3］

加速度傳感器選用具有堅(jiān)固耐用、受外界干擾小等特點(diǎn)的壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器采集對擊錘的加速度，將加速度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電荷信號，電荷信號經(jīng)過電荷放大器的處理，最終輸出與之相對應(yīng)電壓信號;最后，通過高速串行ADS8325 實(shí)時高速采集電荷放大器輸出的電壓信號，獲得打擊過程中加速度變化的時域曲線，從而計(jì)算出最大打擊力和打擊能量，通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)。

STM32 有兩個標(biāo)準(zhǔn)SPI，該接口被配置成主模式時可以為外部的其他從設(shè)備提供通信時鐘。STM32 與ADS8325之間通過標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口連接，STM32 使用SPI 的單主模式，采集加速度信號只需要ADS8325 到STM32 串行數(shù)據(jù)傳輸，SCK 為ADS8325 提供通信時鐘，將ADS8325 片選管腳拉低則為從模式。加速度采集接口圖如圖2 所示。

圖2 加速度采集接口圖Fig 2 Acceleration acquisition interface

2.2 位移采集接口設(shè)計(jì)

選用歐姆龍編碼器進(jìn)行位移數(shù)據(jù)的采集，將E6B2－CWZ6C 編碼器與機(jī)械滑輪相連形成一個位移傳感器，機(jī)械滑輪的半徑為17.49 mm，錘頭將移動2×3.14R 的距離，即109.9 mm，即錘頭移動109.9 mm 時編碼器剛好轉(zhuǎn)一圈，脈沖計(jì)數(shù)為2 000 個。為了增加安全性，減小電壓的干擾，減少電路設(shè)計(jì)，增量式編碼器和STM32 接口采用光耦器件TPL521—4 進(jìn)行隔離，位移采集接口圖如圖3 所示。

圖3 位移采集接口圖Fig 3 Displacement acquisition interface

2.3 無線通信模塊接口設(shè)計(jì)［4，5］

STM32 與SI4432 通過SPI 接口相接，實(shí)現(xiàn)SI4432 的基本工作狀態(tài)。SI4432 通過nIRQ 向STM32 發(fā)送中斷。串行數(shù)據(jù)通過MOSI 從STM32 傳輸?shù)絊I4432;MISO 正好相反;通過SCK 向SI4432 提供時鐘，同步兩者的串行數(shù)據(jù)傳輸。nSEL 引腳電平為低時，SI4432 片選為從模式，STM32 才能有效操作SI4432。SI4432 的工作模式位SDN 為高時，SI4432 處于關(guān)閉模式，為低時，則處于工作模式，因此，在芯片工作期間，工作模式位必須為低。無線通信模塊接口圖如圖4 所示。

圖4 無線通信模塊接口圖Fig 4 Wireless communication module interface

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件在Keil uVision4 平臺上采用模塊化思想設(shè)計(jì)開發(fā)，將所需模塊的主要功能全部編譯成相對獨(dú)立的函數(shù)以供主程序需要時調(diào)用。模塊需要完成的功能是首先對STM32，SI4432 及SPI 進(jìn)行初始化配置，其次，從機(jī)模塊采集加速度數(shù)據(jù)并傳輸，最后，主機(jī)模塊接收數(shù)據(jù)并處理。軟件采用同步傳輸?shù)哪Ｊ剑阶謧鬏斖曛蟛艜_始傳輸數(shù)據(jù)。

3.1 從機(jī)模塊軟件實(shí)現(xiàn)［6，7］

從機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。數(shù)據(jù)采集與發(fā)送過程如下:首先，完成初始化后開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集未完成，則等待至數(shù)據(jù)采集完成，然后清空SI4432的發(fā)送FIFO，寫入將要發(fā)送的加速度數(shù)據(jù);其次，打開發(fā)送完成中斷并關(guān)閉其他中斷，該中斷使能正常后開始發(fā)送數(shù)據(jù);再次，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后nIRQ 引腳轉(zhuǎn)為低電平狀態(tài)，讀取中斷引腳狀態(tài)后并將nIRQ 引腳轉(zhuǎn)為高電平狀態(tài)，準(zhǔn)備下次檢測。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則主機(jī)模塊上綠色指示燈會變亮;最后，關(guān)閉發(fā)送功能，準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。從機(jī)模塊的程序流程圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig 5 Flow chart of data transmission

3.2 主機(jī)模塊軟件實(shí)現(xiàn)［6，7］

主機(jī)模塊軟件實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)接收與處理。首先，完成初始化并清空SI4432 的接收FIFO;其次，打開接收完成中斷并關(guān)閉其他中斷，該中斷使能正常后開始接收數(shù)據(jù);再次，數(shù)據(jù)接收完成后nIRQ 引腳轉(zhuǎn)為低電平狀態(tài)，讀取中斷引腳狀態(tài)后并將nIRQ 引腳轉(zhuǎn)為高電平狀態(tài)，準(zhǔn)備下次檢測，然后，關(guān)閉接收功能，準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)接收;最后，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理得到打擊能量和打擊力，并將數(shù)據(jù)通過RS485 通信傳輸給工控機(jī)和LED 大屏。主機(jī)模塊的程序流程圖如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig 6 Flow chart of data reception

4 測試結(jié)果

在主機(jī)與從機(jī)距離為100 m 時，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 測試結(jié)果Tab 1 Test result

測試結(jié)果表明:該測量儀工作穩(wěn)定，達(dá)到了對擊錘打擊能量測量精度高、實(shí)時性強(qiáng)的測試要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的對擊錘能量無線測量儀，無線數(shù)傳模塊采用SI4432，使用STM32 控制無線數(shù)傳模塊進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，快速又方便地解決了有線方式不便實(shí)現(xiàn)的對擊錘能量測量的問題。測試表明:儀器具有低功耗、實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，每次打擊后到大屏顯示時間為0.5 s左右，可以為現(xiàn)場工人的生產(chǎn)提供指導(dǎo)，滿足使用要求。

［1］ 朱永杰.國產(chǎn)首臺630kJ 對擊模鍛錘性能測試及其對生產(chǎn)運(yùn)行的指導(dǎo)意義［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2004(6):65－67.

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