張 巍，周德儉，2，馮志君，周昊輝

(1．廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州 545006;2．桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004)

0 引言

預應力張拉的主要方法之一，就是通過千斤頂拉緊預應力筋，預先給橋梁或構件施加應力，使橋梁或構件產(chǎn)生向上的拱度，以提高橋梁或構件的承受能力。國家對預應力張拉和預應力筋的張拉過程都有相關規(guī)定和要求，要想使預應力張拉達到相關規(guī)定和要求，預應力筋的張拉控制精度至關重要。張拉控制精度包括張拉過程中對張拉應力、張拉伸長量的控制精度，同時也包含兩端張拉時，兩端千斤頂?shù)膹埨?、持荷和卸載過程的同步精度。一旦預應力張拉精度失控，輕則會引起結構出現(xiàn)錨固端的縱向裂紋、反拱過大，重則引起結構出現(xiàn)橫向裂縫、預應力筋拉斷等事故［1-2］。

現(xiàn)階段太原理工大學和相關工程單位對預應力張拉設備都有一定的研究，所設計的張拉設備大都采用PLC或PC機作為張拉控制系統(tǒng)的主控制器，系統(tǒng)通過主控制器對兩端張拉設備進行控制。然而這種方式只能保證預應力筋張拉應力、張拉伸長量的控制精度以及雙端張拉時起步階段的同步性，隨著張拉的進行，兩端張拉設備的后期同步性將很難保持。對此，筆者設計一種基于nRF401無線通信模塊的預應力張拉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ARM控制器、觸摸屏、顯示屏和nRF401無線模塊組成張拉控制系統(tǒng)的主控機，次控機則由AVR單片機控制板和nRF401無線模塊，電源模塊等構成。使用該設備，技術人員只需要在觸摸屏上輸入張拉參數(shù)及控制命令，系統(tǒng)便由ARM控制器發(fā)出指令，通過無線模塊傳遞到次控機執(zhí)行相應動作;次控機采集到的張拉力和伸長量通過無線模塊傳遞到主控機進行顯示處理;同時在整個張拉過程中兩端張拉儀相互通信，進行同步性判斷，若不同步則采取相應調(diào)整動作使其同步。

1 預應力張拉控制系統(tǒng)總體結構

該張拉控制系統(tǒng)采用主、次控機體系結構。如圖1所示，控制系統(tǒng)中的主控機通過nRF401無線模塊對兩端的次控機進行控制，次控機接收到命令后，對液壓系統(tǒng)執(zhí)行相關命令、采集張拉數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街骺貦C處理顯示，同時次控機之間也可相互通信，用于張拉過程中的同步判斷。

1．1 預應力張拉控制系統(tǒng)主控機結構

主控機在預應力張拉控制系統(tǒng)中負責對兩端次控機進行控制以及人機交互。用戶通過主控機選擇張拉控制命令和輸入張拉控制參數(shù)后，無線通信模塊將張拉控制命令和參數(shù)發(fā)送到兩端次控機，實現(xiàn)預應力張拉控制系統(tǒng)的主次控制。同時主控機還接收來自次控機的張拉控制數(shù)據(jù)，并進行處理顯示。如圖1所示為預應力張拉控制系統(tǒng)主控機結構框圖，主要包括:主控芯片S3C2440、存儲器SDRAM和NandFlash、觸摸屏、顯示屏、電源模塊、打印接口、網(wǎng)絡接口、USB接口以及nRF401無線通信模塊接口。

1 ．2 預應力張拉控制系統(tǒng)次控機結構

次控機作為整個張拉控制系統(tǒng)中至關重要的一部分，在主控機與液壓系統(tǒng)之間起著承接作用。次控機接收主控機的控制命令，對液壓系統(tǒng)進行控制;同時次控機采集張拉千斤頂處傳感器信號，發(fā)送張拉數(shù)據(jù)到主控機。如圖1所示，次控機主要由AVR單片機中的 ATmega128芯片、LCD1602顯示屏、nRF401無線模塊接口、串口通信、電源模塊、D/A轉換電路、I/V轉換電路、運算放大電路、光耦隔離驅動電路、傳感器等組成。

2 預應力張拉控制系統(tǒng)的控制方案

預應力張拉控制系統(tǒng)控制方案主程序流程圖如圖2所示。用戶開機后，在主控機上輸入張拉參數(shù)、選擇張拉命令，通過無線模塊傳輸?shù)酱慰貦C，控制次控機開始工作;次控機首先獲取液壓系統(tǒng)的初始狀態(tài)，滿足預設條件則進行分級加載，達到預應力筋的初應力后不斷進行張拉數(shù)據(jù)的記錄和同步判斷，張拉繼續(xù)，直到達到張拉設定值再按要求持荷，最后回油卸載，張拉成功。整個張拉過程中，出現(xiàn)不符合條件的情況，都將進行報警處理。

3 無線通信模塊系統(tǒng)設計及同步實現(xiàn)

無線通信模塊作為張拉控制系統(tǒng)主次控制、張拉同步判斷實現(xiàn)的關鍵模塊。需要從無線模塊硬件設計、無線模塊軟件設計兩方面進行展開研究。無線模塊軟件部分又包括無線模塊發(fā)送、接收程序，以及張拉同步判斷中斷子程序。

圖2 預應力張拉控制系統(tǒng)張拉主程序

3．1 無線通信模塊的硬件設計

預應力張拉控制系統(tǒng)無線通信模塊選用的是nRF401芯片，nRF401是挪威NORDIC公司推出的半雙工單片無線收發(fā)一體的芯片。該芯片采用藍牙核心技術設計，在一個20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等模塊。有工作頻率穩(wěn)定可靠，通信速率高，功耗低，可直接與單片機串口通信，無需復雜的曼徹斯特編碼，適合于便攜及手持產(chǎn)品的設計等特點［4］。圖3為nRF401無線模塊的電路原理圖，模塊引出五個引腳，分別為:VDD、GND、TXEN、PWR、DIN、DOUT、CS。TXEN為工作狀態(tài)控制引腳，為1時選擇發(fā)送模式，為0時選擇接收模式;PWR為節(jié)能控制引腳，為1時選擇工作狀態(tài)，為0時選擇待機微功耗狀態(tài);DIN數(shù)據(jù)輸入引腳;DOUT數(shù)據(jù)輸出引腳;CS頻道選擇引腳，為1選擇頻道2，為0選擇頻道1;VDD為無線模塊電源引腳，最小只需2．7 V的直流電壓;GND為無線模塊的電源地引腳。

圖3 nRF401無線模塊電路原理圖

3 ．2 無線通信模塊的軟件設計

3．2．1 無線通信模塊收發(fā)程序設計

張拉控制系統(tǒng)要實現(xiàn)主次模式的無線控制除了需要無線模塊的硬件支持，另一個關鍵點在于無線模塊收發(fā)程序的設計。無論是主、次控制還是次控機間的通信都是建立在無線模塊的收發(fā)程序基礎上。如圖4所示，無線模塊的發(fā)送程序基本流程為:主控機首先向所有次控機發(fā)送地址幀對通信的次控機進行呼叫，并等待。發(fā)送地址后，主控機接受應答，如果應答信號中的地址與前面發(fā)送的地址不相同，主控機將重新發(fā)送址幀呼叫，如果相同，則發(fā)送命令幀，接受命令應答幀。無線模塊的接受程序基本流程為:次控機首先處于接受等待狀態(tài)，接受主控機發(fā)送的地址幀與自己的ID地址進行比較。若相同則發(fā)送地址應答幀，接受命令幀，調(diào)用命令子程序;若不同，則重新進入接受狀態(tài)，接收地址幀［5］。

圖4 無線模塊發(fā)送、接收程序流程

3．2．2 無線通信模塊張拉同步實現(xiàn)

現(xiàn)有預應力張拉控制系統(tǒng)已經(jīng)不需要像傳統(tǒng)張拉控制那樣通過喊話或吹口哨同步啟動兩端張拉控制，保證張拉系統(tǒng)起步階段的同步性。但隨著張拉的進行，兩端張拉又會出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，這同樣會影響張拉筋的張拉質(zhì)量。本控制系統(tǒng)在保證張拉系統(tǒng)同步啟動的同時，利用兩端次控機在張拉過程中相互通信的方式進行張拉同步判斷。具體實施方案為:選用兩端次控機中的一端作為同步判斷的主控端，當主控端張拉達到初應力之后進行短暫停頓，開啟中斷，每隔2 min調(diào)用一次同步判斷子程序直至達到張拉預設值。如圖5所示，在無線模塊發(fā)送、接收程序及通信協(xié)議的基礎上設計了張拉同步判斷中斷子程序。同步判斷子程序開始執(zhí)行后，主控端通過無線模塊發(fā)送同步判斷請求，另一端接收到命令后發(fā)送預應力筋的張拉壓力和位移到主控端，主控端將其和自身張拉數(shù)據(jù)進行對比，如果兩端張拉的壓力和位移相差超過2%或5 mm，則數(shù)據(jù)大的一段保持原有張拉速度，而另一端則加大張拉速度直至兩端張拉達到同步要求，再返回主程序繼續(xù)張拉［3］。

圖5 張拉同步判斷中斷子程序

4 結語

本預應力張拉控制系統(tǒng)采用ARM控制器作為主控機、AVR單片機作為次控機。利用nRF401無線通信模塊實現(xiàn)主控機對兩端次控機的控制、兩端次控機向主控機數(shù)據(jù)的傳輸，以及兩端次控機在張拉過程中通過無線通信實現(xiàn)張拉同步性的判斷。采用本系統(tǒng)的控制方案在保證張拉精度的同時，也能夠進一步解決兩端張拉同步性問題。

［1］ 郝志紅．全自動預應力張拉儀的研究［D］．太原:太原理工大學，2007．

［2］ 蒙志強．基于ARM的軌枕張拉系統(tǒng)設計［J］．電子設計工程，2013，21(18):182-184．

［3］ 梁曉東．智能型同步預應力張拉系統(tǒng)的研制［J］．中外公路，2013，33(5):106-107．

［4］ 張 ?。畁RF401在多路無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用［J］．制造業(yè)自動化，2005，27(12):509．

［5］ 陳 然．汽車輪胎檢測及控制系統(tǒng)的研究［D］．重慶:重慶大學，2005．