任哲平，牛春平

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

基于無(wú)線(xiàn)通信的接觸式帶鋼板形信號(hào)采集系統(tǒng)研制

任哲平，牛春平

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

針對(duì)滑環(huán)結(jié)構(gòu)的接觸式板形測(cè)試儀存在的不足，采用無(wú)線(xiàn)通信方式，研制了多單片機(jī)系統(tǒng)的嵌入式板形信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)光電接近開(kāi)關(guān)的合理安裝設(shè)計(jì)，巧妙解決了檢測(cè)輥正反轉(zhuǎn)時(shí)的信號(hào)采集和每組4個(gè)傳感器信號(hào)區(qū)分問(wèn)題，并給出了I2C總線(xiàn)系統(tǒng)中主、從單片機(jī)的流程；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在傳感器為30組，檢測(cè)輥10圈／秒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率均可滿(mǎn)足板形閉環(huán)控制的要求。

板形儀；信號(hào)采集；無(wú)線(xiàn)通信

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，帶鋼板形質(zhì)量的要求越來(lái)越高。板形檢測(cè)儀是帶鋼生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)板形質(zhì)量控制的基本前提［1－2］。當(dāng)前，基于不同檢測(cè)方法的板形檢測(cè)多有研究，但應(yīng)用最多的還是ABB公司的分段檢測(cè)輥和DAVY公司的空氣軸承式Vidimon檢測(cè)輥板形儀。這兩款檢測(cè)輥價(jià)高，備件昂貴［2］，且采用輥環(huán)或滑環(huán)結(jié)構(gòu)［3－4］，由于干燥、潔凈、高絕緣性等微弱電信號(hào)傳輸條件要求，造成檢測(cè)輥的制造精度要求高且需要經(jīng)常清洗維護(hù)，而且軋制大多在惡劣的工作環(huán)境中進(jìn)行，電刷摩擦生熱、磨損等嚴(yán)重影響板形儀工作的穩(wěn)定性和測(cè)量精度［5］。這正是此類(lèi)接觸式板形儀的弊端所在。

文獻(xiàn)［5］針對(duì)此弊端，提出了基于Nrf24L01的無(wú)線(xiàn)方案，但整體上傳感器數(shù)量不足，限制了檢測(cè)輥的長(zhǎng)度或檢測(cè)密度，且僅進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，整個(gè)檢測(cè)儀的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性均未提及。

1 基于無(wú)線(xiàn)通信的接觸式板形檢測(cè)儀功能設(shè)計(jì)

檢測(cè)輥是整個(gè)板形檢測(cè)儀中的核心部件，本檢測(cè)儀中的檢測(cè)輥采用與ABB公司和文獻(xiàn)［6］中結(jié)構(gòu)類(lèi)似的分段式或整輥鑲塊式結(jié)構(gòu)，傳感器采用壓磁式傳感器，如圖1所示。圖中右側(cè)為檢測(cè)輥的剖面圖，此剖面中均勻安裝4個(gè)壓磁式傳感器組成一組，整個(gè)檢測(cè)輥均勻安裝26組傳感器。

圖1 檢測(cè)輥結(jié)構(gòu)示意

每組傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬信號(hào)通道，檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，傳感器信號(hào)經(jīng)調(diào)理之后的理想波形如圖2所示。該信號(hào)為檢測(cè)輥中壓磁式傳感器經(jīng)解調(diào)之后的輸出電壓信號(hào)，與檢測(cè)輥上對(duì)應(yīng)傳感器位置的壓力呈線(xiàn)性關(guān)系，信號(hào)范圍0～3.3 V。圖中標(biāo)注1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)到帶鋼與輥的接觸點(diǎn)（如最上面）時(shí)，對(duì)應(yīng)1、2、3、4號(hào)傳感器的輸出信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)具體要求如下：

1）在正常工作情況下，檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確捕捉到26組傳感器中各傳感器輸出信號(hào)的最大值，即峰值，且必須與傳感器一一對(duì)應(yīng)；根據(jù)需要，也可專(zhuān)門(mén)檢測(cè)某一通道信號(hào)的完整波形，如圖2所示。

2）檢測(cè)輥為可逆輥，即可正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)檢測(cè)要求不變。

圖2 調(diào)理后的傳感器信號(hào)示意

3）檢測(cè)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)最高速度為10圈／秒。

2 板形信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案

根據(jù)板形檢測(cè)儀功能要求以及滑環(huán)傳感微弱電信號(hào)的弊端，采集系統(tǒng)決定采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳感方案，整個(gè)檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

檢測(cè)輥與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)固定連接器連接，傳感器所需激勵(lì)電源經(jīng)滑環(huán)通過(guò)連接器輸入，采集系統(tǒng)所需交流電源經(jīng)滑環(huán)輸入，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)連接器輸出到信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過(guò)采集處理電路完成信號(hào)采集并無(wú)線(xiàn)發(fā)送到PC機(jī)系統(tǒng)。正常工作時(shí)，檢測(cè)輥與采集系統(tǒng)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合考慮檢測(cè)儀傳感器數(shù)量以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹笜?biāo)要求，采集模塊以56F8013單片機(jī)為核心的基于I2C總線(xiàn)的多單片機(jī)系統(tǒng)為解決方案，如圖4所示。此款單片機(jī)具有32 MIPS的指令執(zhí)行速度、包含2個(gè)3通道的ADCs、1個(gè)帶LIN從機(jī)功能的串行通信接口（SCI）、1個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）、1個(gè)I2C串口，此外還有內(nèi)置看門(mén)狗和多達(dá)26個(gè)普通IO引腳等豐富資源［7］，可完全滿(mǎn)足系統(tǒng)功能需要。

無(wú)線(xiàn)模塊選用具有串口接口的XL02－232API型半雙工無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。該模塊可以工作在433 MHz公用頻段，傳輸距離300米，串口速率1.2～115.2 KBPS，數(shù)據(jù)格式8N1?？赏耆珴M(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要。

圖4 多單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在I2C總線(xiàn)系統(tǒng)，啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、地址碼、讀／寫(xiě)控制信號(hào)是由主控器（主機(jī)）發(fā)送給被控器（從機(jī)），應(yīng)答信號(hào)由被控器發(fā)送給主控器［8］。在功能上從機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)采集及處理，主機(jī)負(fù)責(zé)管理I2C總線(xiàn)系統(tǒng)及向無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包。沒(méi)有采集觸發(fā)信號(hào)時(shí)，主機(jī)和從機(jī)都處于等待狀態(tài)；在開(kāi)始采集觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，主機(jī)繼續(xù)等待，各從機(jī)并行開(kāi)始采集處理數(shù)據(jù)，停止采集信號(hào)到來(lái)后，各從機(jī)將數(shù)據(jù)打包并依據(jù)主機(jī)命令向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)開(kāi)始巡檢各從機(jī)，待所有從機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將接收到的數(shù)據(jù)整體打包，發(fā)送到無(wú)線(xiàn)模塊，并等待下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

2.2 采集觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號(hào)產(chǎn)生

采集系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式向上位機(jī)傳輸?shù)淖畲笾敌盘?hào)，要與每組4個(gè)傳感器一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)，由于在傳感器最大值過(guò)后，還要有足夠的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)打包和無(wú)線(xiàn)傳輸，采集觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號(hào)的產(chǎn)生采用圖5所示方案。圖中，固定部分與滑環(huán)硬連接，系統(tǒng)正常工作時(shí)，該部分靜止不動(dòng)，其內(nèi)環(huán)和外環(huán)上安裝擋鐵，以觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)部分與檢測(cè)輥硬連接，系統(tǒng)正常工作時(shí)，與檢測(cè)輥同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別安裝兩組光電接近開(kāi)關(guān)。檢測(cè)輥正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩組開(kāi)關(guān)信號(hào)處理后的波形為連續(xù)的脈沖信號(hào)（如圖中右側(cè)所示，其中實(shí)線(xiàn)波形為觸發(fā)信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈4個(gè)脈沖；虛線(xiàn)為傳感器區(qū)分信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，一個(gè)脈沖），檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)快慢變換，則脈沖周期相應(yīng)的變短或變長(zhǎng)。

圖5 觸發(fā)和傳感器區(qū)分信號(hào)產(chǎn)生方案

工作時(shí)，從單片機(jī)檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)下降沿時(shí)開(kāi)始采集并處理信號(hào)，上升沿到來(lái)時(shí)停止采集，所采集數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)由主單片機(jī)發(fā)送出去。開(kāi)始采集信號(hào)到來(lái)時(shí)，若區(qū)分傳感器信號(hào)為低電平，則將傳感器標(biāo)識(shí)設(shè)置為1，否則傳感器標(biāo)識(shí)自動(dòng)加1，若標(biāo)識(shí)已為4，則置為1。傳感器標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)I2C總線(xiàn)協(xié)議，由從單片機(jī)與最大值數(shù)據(jù)一同打包。

這樣設(shè)計(jì)的好處在于，在時(shí)間上將采集過(guò)程和數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程合理區(qū)分；完美解決了檢測(cè)輥的正反轉(zhuǎn)問(wèn)題，不管正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，觸發(fā)信號(hào)波形不變；正確將每組4個(gè)傳感器進(jìn)行了區(qū)分。

3 系統(tǒng)軟件流程

單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用飛思卡爾專(zhuān)用集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)Freescale CodeWarrior IDE8.3。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，按照面向過(guò)程的方法進(jìn)行，其中串口、I2C總線(xiàn)通信采用中斷方式。主從單片機(jī)模塊劃分如圖6所示。

3.1 主單片機(jī)流程

基本任務(wù)：主單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接受上位機(jī)命令、向無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)以及I2C總線(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行管理，包括向各從機(jī)發(fā)送命令，接受從機(jī)發(fā)送到總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)并重新打包等。

圖6 主從單片機(jī)軟件模塊劃分

工作流程：沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，主機(jī)處于等待狀態(tài)。在開(kāi)始采集觸發(fā)信號(hào)（下降沿）到來(lái)后，主機(jī)繼續(xù)等待采集結(jié)束信號(hào)（上升沿）。待觸發(fā)信號(hào)上升沿到來(lái)后，如系統(tǒng)為正常工作模式，則依次巡檢5個(gè)從機(jī)，接收從機(jī)所發(fā)送的各通道最大值信號(hào)，進(jìn)行校驗(yàn)并重新打包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到串口緩沖區(qū)；如系統(tǒng)為檢修模式，則根據(jù)具體的通道，訪(fǎng)問(wèn)對(duì)應(yīng)從機(jī)，接收從機(jī)所發(fā)送的通道連續(xù)數(shù)值信號(hào)，進(jìn)行校驗(yàn)并重新打包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到串口緩沖區(qū)，之后進(jìn)入下一個(gè)采集循環(huán)。具體流程如圖7所示。

圖7 主單片機(jī)程序流程

3.2 從單片機(jī)流程

基本任務(wù)：從單片機(jī)接受主單片機(jī)工作模式命令，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)主機(jī)命令向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

工作流程：沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，從機(jī)處于等待狀態(tài)。在開(kāi)始采集信號(hào)（下降沿）到來(lái)后，采集各通道信號(hào)，如系統(tǒng)為正常工作模式，循環(huán)采集各通道最大值信號(hào)；如系統(tǒng)為檢修模式，則根據(jù)具體的通道，采集對(duì)應(yīng)通道信號(hào)。待觸發(fā)信號(hào)上升沿到來(lái)后，退出采集循環(huán)，并根據(jù)工作模式，將數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)格式打包。待接收到主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)命令后，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到I2C總線(xiàn)緩沖區(qū)，之后進(jìn)入下一個(gè)采集循環(huán)。具體流程如圖8所示。

圖8 從單片機(jī)程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)滑環(huán)結(jié)構(gòu)的接觸式板形檢測(cè)儀的缺點(diǎn)與不足，采用無(wú)線(xiàn)通信方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多通道、嵌入式帶鋼板形信號(hào)采集系統(tǒng)，有效克服了滑環(huán)引起的可靠性、干擾等問(wèn)題，巧妙的解決了檢測(cè)輥的正反轉(zhuǎn)、同組壓磁式傳感器區(qū)分等技術(shù)問(wèn)題。實(shí)際研制的30個(gè)通道的板形信號(hào)采集系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多輪次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速為10圈／秒、I2C總線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)模式、串口波特率設(shè)置為57600時(shí)，數(shù)據(jù)采集和無(wú)線(xiàn)通信可靠無(wú)故障，可完全滿(mǎn)足板形控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和精度要求。

［1］連家創(chuàng)，劉宏民.板厚板形控制［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1996.

［2］鐘春生，龐玉華，毛小春.板形檢測(cè)方法研究趨向淺析［J］.重型機(jī)械，1998（6）：1-3.

［3］王訓(xùn)宏，王快社，等.新型接觸式板形檢測(cè)輥的研制［J］.冶金設(shè)備，2005（6）：54-57.

［4］于丙強(qiáng)，楊利波，孫建亮.冷軋帶鋼板形檢測(cè)輥研究現(xiàn)狀［J］.軋鋼，2011，28（2）：44-46.

［5］石 燕，劉 青.高速無(wú)線(xiàn)技術(shù)在帶鋼板形儀中的應(yīng)用［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（8）：103-105.

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［7］56F8013數(shù)據(jù)手冊(cè)（中文）.http：／／www.creader.com／news／20011219／200112190019.html.

［8］王欣峰，任淑萍.基于Proteus的80C51單片機(jī)IIC總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011（5）.

Research on Strip Steel Shape Signal Collection for Shape Meter of Contact Type Based on Wireless Communication

Ren Zheping，Niu Chunping

（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

Aiming at the problem of the shape meter of contact type based on slip ring，wireless and embedded multi－SCP system for strip steel shape signal Collection are developed.The problem are solved perfectly that signal collection when the shape meter running in positive or negative and distinguishing differ sensor signal in same group，through the installation of photoelectric switch.The software flow chart of master and slave IIC bus communication is given.Practice shows that when the number of channels is 30，the shape meter rotational speed is 10 circles per second，the data sampling accuracy and transmission rate can meet the requirements of the shape meter closed－loopcontrol.

shape meter；signal collection；wireless communication

1671-4598（2016）08-0171-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.046

：TP211.32

：A

2015-11-26；

：2016-02-05。

任哲平（1974-），男，博研，副教授，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向的研究。