(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶 400054)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異，各類家電家具、儀器儀表均順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展潮流，進(jìn)軍網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向。網(wǎng)絡(luò)連接是實現(xiàn)各類設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、信息共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能的必需環(huán)節(jié)。另外，在互聯(lián)網(wǎng)背景下，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展帶動了各類嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連與協(xié)同工作的發(fā)展潮流，例如，傳感器無線化、家電家居智能化、儀器儀表智能化。這些設(shè)備所采用網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議中，TCP/IP協(xié)議是主流，其主要原因在于嵌入式系統(tǒng)結(jié)合TCP/IP協(xié)議不僅具有可實現(xiàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)直連的功能，而且無需額外的網(wǎng)管設(shè)備，可減少入網(wǎng)環(huán)節(jié)，提高嵌入式設(shè)備實現(xiàn)通信的效率[1-3]。其中，在實現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的過程中，高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是保證系統(tǒng)設(shè)備性能的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，這種類型的系統(tǒng)具有更為強(qiáng)大的功能，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。但是，大多數(shù)嵌入式設(shè)備使用的是經(jīng)濟(jì)型處理器，網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸效率等受限于內(nèi)存和速度，可用資源有限進(jìn)一步造成無法完全實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，同時也不是必需的。LwIP是一種小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，任何人都可以使用，可以在裸機(jī)環(huán)境中運(yùn)行，它可以輕松移植到多任務(wù)操作系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)TCP的主要功能，而且具有占用內(nèi)存小的優(yōu)點(diǎn)，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。μC/OS-Ⅲ則是專為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的基于優(yōu)先級的搶先式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。開源代碼、良好的實時性能和便攜式切割包括任務(wù)管理和調(diào)度、任務(wù)之間的同步和通信、實現(xiàn)中斷時鐘管理和內(nèi)存管理等任務(wù)，多年的實際應(yīng)用驗證了其穩(wěn)定性和可靠性。

時柵位移傳感器不同于傳統(tǒng)的柵式位移傳感器(如光柵、磁柵等)，能夠克服高精度機(jī)械刻線加工誤差大、難度大，及生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，可實現(xiàn)位移量的高精度測量[4-6]。然而，隨著時柵位移傳感器的產(chǎn)業(yè)化和市場需求的增加，時柵需要向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展以滿足市場需求，進(jìn)一步穩(wěn)固且拓展自身市場。在此過程中，以現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能傳感技術(shù)、儀器儀表測控技術(shù)等為一體的新型時柵位移傳感器順勢而生，該類型傳感器具有高效、實時、穩(wěn)定的傳感器動態(tài)性能?；诖?，在原理上沿襲以時間測量空間的思想，以ARM微處理器STM32F407和以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G接口為平臺，采用μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議，使用協(xié)議棧提供的三個應(yīng)用程序接口，實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信功能，最終實現(xiàn)時柵傳感器位移信息輸出、傳感器智能化聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程故障診斷、在線校正和大數(shù)據(jù)采集[7-8]。

1 時柵位移傳感器的工作原理

時間位移傳感器的工作原理如圖1所示。三相交流電流以時間120°，分別送入空間對稱的三相交流繞組，線圈架的中心放置Pa作為動測頭，Pb作為固定定測頭嵌入線圈架。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，移動動測頭，則在定測頭會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢：

(1)

式中，F(xiàn)X1為旋轉(zhuǎn)磁場幅值，X=A,B,C。根據(jù)感應(yīng)電動勢疊加原理，三相感應(yīng)電動勢可求和得出基波，方程為

f=fA1+fB1+fC1=F1sin(ωt-α)

(2)

式中，F(xiàn)1為疊加成的空間磁場幅值的大小；ω為激勵電流頻率的大?。沪翞閯訙y頭由初始位置運(yùn)動到所處位置角度的大小。

動測頭和定測頭都輸出帶有相位的行波信號，行波信號經(jīng)過時柵信號處理系統(tǒng)可以得出動測頭的位移信息。時柵信號處理系統(tǒng)對行波信號的處理過程包括：首先將行波信號經(jīng)過放大、低通濾波以及過零比較電路輸出方波信號，該方波信號和同頻參考信號相減得出相位差，再對兩路方波信號的上升沿進(jìn)行捕獲，經(jīng)過高頻時鐘脈沖插補(bǔ)最終可分別得到時間Ti、T0以及信號周期T。經(jīng)過角位移解算，即可得出時柵角位移θ的大小。其中，W表示時柵對極的節(jié)距值。

θ=(Ti-T0)/T×W

(3)

圖1 時柵位移傳感器原理圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

筆者設(shè)計了一種高速率、高精度和智能化的時柵系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有雙CPU，分別為STM32F4微控制器和DSP數(shù)字信號處理器。其中，STM32F4芯片負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行以及與外部的通信；DSP芯片完成時柵數(shù)據(jù)采集及分析處理、誤差修正等功能。不同芯片要求的工作電壓有所差異，整個系統(tǒng)涉及不同大小的工作電壓，這些電壓由專門的電源電路模塊提供，在電壓穩(wěn)定的條件下，系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作。此后由STM32F4微控制器向AD9959輸入控制字輸出兩路正交激勵信號。該信號功率小，需要進(jìn)行功率放大等處理以便于驅(qū)動時柵傳感器位移測量系統(tǒng)。將滿足需求的兩路正交激勵信號通入對應(yīng)的激勵繞組中，動測頭運(yùn)動后感應(yīng)線圈輸出相應(yīng)的感應(yīng)信號，感應(yīng)信號經(jīng)過放大、濾波、隔離、整形等環(huán)節(jié)后輸入DSP中進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采集及處理。這一環(huán)節(jié)若有誤差產(chǎn)生可反饋輸出到STM32F4進(jìn)一步控制傳感器感應(yīng)信號傳輸及處理，對誤差進(jìn)行修正處理，同時該過程中的誤差數(shù)據(jù)可通過Ethernet、Wi-Fi、4G三種網(wǎng)絡(luò)接口輸出，同步傳輸至系統(tǒng)終端顯示，便于實驗人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)對時柵測量系統(tǒng)各模塊的監(jiān)控，并且可以為相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)分析支撐，終端部分可以對時柵測量過程中所產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷，實現(xiàn)了時柵的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 信號處理模塊

信號貫穿整個時柵測量、信號處理系統(tǒng)，具體包括時柵激勵信號、時柵感應(yīng)信號、時柵信號處理系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸出輸入信號。信號傳輸和處理的過程中，信號誤差不可避免，并且信號處理和傳輸環(huán)節(jié)的增加會增加信號產(chǎn)生誤差的可能性。為了實時掌握時柵系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信號的狀態(tài)、分析信號的誤差來源以及高效完成信號誤差修正，最終達(dá)到精確測量位移的目的。采用分環(huán)節(jié)采集信號的方法，將信號傳遞的系統(tǒng)分解為具體環(huán)節(jié)，對每環(huán)節(jié)都進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集，實時掌握信號的變化情況。當(dāng)信號發(fā)生變化產(chǎn)生誤差時，可以對所采集的信號進(jìn)行分析，環(huán)環(huán)相扣，分析誤差來源，可精確定位信號發(fā)生了偏差時所處環(huán)節(jié)。誤差定位完成后，可隨之有針對性地進(jìn)行誤差修正。實時監(jiān)控信號數(shù)據(jù)、定位誤差位置，及時完成修正，同時把各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集發(fā)送到上位機(jī)，對其大數(shù)據(jù)分析，實時掌握整個時柵系統(tǒng)的運(yùn)行情況，這些可在很大程度上提高時柵測量位移的效率和精度。信號處理框圖如圖3所示。

圖3 信號處理框圖

3.2 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊的接口電路采用Microchip公司的ENC28J60芯片，該芯片功能強(qiáng)大、擴(kuò)展功能多。例如：支持一個內(nèi)部的DMA控制器，具有獨(dú)立的外設(shè)接口的以太網(wǎng)控制器[7-8]。使用該芯片可以解決因數(shù)據(jù)包過大而引起的數(shù)據(jù)丟失的問題，并且數(shù)據(jù)包傳輸速率大，可達(dá)10 MB/s。另外由于它滿足全部IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，還具有為任何設(shè)備提供以太網(wǎng)接口控制器的強(qiáng)大功能。

3.3 Wi-Fi模塊

Wi-Fi接口芯片采用上海慶科公司開發(fā)的高速率串口ESP8266，該芯片尤其適用于串口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)，在集成了TCP/IP協(xié)議棧和Wi-Fi驅(qū)動的基礎(chǔ)上做到了高速率傳輸[9-10]。STM32F4芯片和一個使用SDIO接口的Wi-Fi芯片是Wi-Fi模塊的主體，STM32芯片的Flash存儲Wi-Fi驅(qū)動程序。外部設(shè)備對數(shù)據(jù)通信的控制則可以通過操作UATA接口實現(xiàn)。

3.4 4G模塊

在4G通信接口設(shè)計中，采用的是SIMCOM公司生產(chǎn)的工業(yè)級雙頻芯片SIM900，該芯片具有功耗低、供電范圍寬(3.2～4.8 V)、支持回聲抑制算法等特點(diǎn)，性價比很高。RS232以及LVTTL串口，帶硬件流控制使得該芯片可十分方便、快捷地與所開發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行連接、調(diào)試，電腦輸出電壓滿足其工作要求，也可與單片機(jī)等實現(xiàn)直接連接，使用語音、短信、數(shù)據(jù)傳輸功能[9-10]。這些功能使得4G通信模塊能夠很好地與時柵系統(tǒng)和外部中斷進(jìn)行連接，實現(xiàn)GPRS傳輸、語音通話和短信通信等功能。

4 軟件設(shè)計

4.1 μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)的移植

實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ包括資源同步、資源管理和任務(wù)間相互通信等功能，最多可以支持64個任務(wù)，且對所運(yùn)行任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)置，方便用戶調(diào)用[11-12]。同時，它還能夠?qū)崟r測量其操作性能，能夠等待多個信號量和消息隊列，任務(wù)之間的通信可采用信號量和消息郵箱方式完成，而這些功能在其他實時內(nèi)核中是不存在的。

處理器STM32F407在移植μC/OS-Ⅲ源代碼時，有些內(nèi)容需要修改，有些則保留。對于不需要修改的文件，可以通過在項目目錄中添加相應(yīng)文件實現(xiàn)。而對于需要修改源代碼的文件(OS_CPU.C、COS_CPU.H及OS_CPU_A.ASM)，具體情況是：① OS_CPU.C文件中需要修改OSTaskStkInit函數(shù)來保證任務(wù)跳轉(zhuǎn)到正確執(zhí)行語句的地方，采用入口地址對LR和PC進(jìn)行初始化；② OS_CPU.H頭文件中修改與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型以及改寫與處理器相關(guān)的少量代碼段；③ OS_CPU_A.ASM匯編文件中有4個函數(shù)需要修改OSSstartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。在操作系統(tǒng)開始計劃任務(wù)之前，OSSstartHighRdy函數(shù)僅執(zhí)行一次。OSCtxSW是任務(wù)切換函數(shù)。匯編函數(shù)OSIntCtxSW是一個中斷級任務(wù)切換功能。系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)函數(shù)是OSTickISR。

4.2 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP協(xié)議是由Adam Dunkels開發(fā)的小型開放源碼TCP/IP協(xié)議棧，操作系統(tǒng)不是其必要的運(yùn)行條件，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用[13]。LwIP需要修改與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分，由于時柵信息是用信號量通信，則需要修改sys_arch.h、sys_arch.c中參數(shù)，來實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體sys_sem_t和相關(guān)的信號量，包括sys_sem_new( )、sys_sem_free( )、sys_sem_signal( )、sys_arch_sem_wait( )等函數(shù)，這樣形成信號量的建立、釋放、發(fā)送和等待接收功能。與CPU或編譯器相關(guān)的部分LwIP的修改中，還需要修改/include/arch目錄下cc.h和lwipopts.h文件中的有關(guān)參數(shù)，使得數(shù)據(jù)長度、字的高低位順序等的宏定義發(fā)生相應(yīng)的變化。netconn API應(yīng)用程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 netconn API應(yīng)用程序設(shè)計

4.3 以太網(wǎng)模塊設(shè)計

關(guān)于以太網(wǎng)模塊設(shè)計，主要介紹ENC28J60接收數(shù)據(jù)的過程。ENC28J60首先需要進(jìn)行初始化，在初始化完成之后再發(fā)送和接收MAC幀來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

具體過程如下：首先需要設(shè)置接收緩沖器的指針，打開數(shù)據(jù)包接收功能；緩沖區(qū)自動接收數(shù)據(jù)包，在此過程中會過濾不符合數(shù)據(jù)幀格式的數(shù)據(jù)包；解析數(shù)據(jù)包。中斷服務(wù)程序則用于對數(shù)據(jù)報頭進(jìn)行分析，對不同類型的數(shù)據(jù)包(ARP包、ICMP包、UDP包)分別進(jìn)行處理，然后讀取數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。ENC28J60的接收數(shù)據(jù)過程，如圖5所示。

4.4 Wi-Fi模塊設(shè)計

Wi-Fi模塊的主要工作流程如下：首先檢測station的連接狀態(tài)，若沒有連接成功，則一直循環(huán)查詢station狀態(tài)，若連接成功，成功狀態(tài)需要等待2s左右再設(shè)置DHCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其次就是檢測配置轉(zhuǎn)態(tài)，若配置失敗，則會一直循環(huán)查詢其配置狀態(tài)，直到配置成功后再設(shè)置espconn參數(shù)。參數(shù)配置完成之后對回調(diào)函數(shù)進(jìn)行注冊連接，建立TCP偵聽，查詢是否有數(shù)據(jù)[13-14]。

圖5 ENC28J60接收數(shù)據(jù)包流程圖

服務(wù)器在偵聽到客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，會立即建立和客戶端之間的連接，并且開始接收其發(fā)送的數(shù)據(jù)，利用程序?qū)λ邮諗?shù)據(jù)進(jìn)行分類，判斷是指令型數(shù)據(jù)還是信息類數(shù)據(jù)。發(fā)送指令型數(shù)據(jù)用于控制，利用Flash存儲信息類數(shù)據(jù)。ESP8266工作處理函數(shù)流程圖，如圖6所示。

4.5 4G模塊設(shè)計

關(guān)于4G模塊，SIM900模塊工作時需要先進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的初始化，然后通過采用USART串口實現(xiàn)波特率和STM32F4之間的同步。接下來進(jìn)行SIM卡的注冊，并且判斷是否注冊成功，一直查詢注冊狀態(tài)直到注

圖6 ESP8266工作處理函數(shù)流程圖

冊成功后才停止。注冊成功后進(jìn)入設(shè)置該芯片環(huán)節(jié)，芯片在被設(shè)置為休眠模式時可以有2種數(shù)據(jù)傳輸選擇，分別為：TCP協(xié)議模式和短信模式。不同模式的數(shù)據(jù)傳輸方式不同，短信模式下工作流程為：首先設(shè)置為文本模式和設(shè)置接收號碼，然后等待是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，若有數(shù)據(jù)發(fā)送則讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，將信息發(fā)送給接收號碼。則TCP協(xié)議模式的工作方式為：首先通過TCP協(xié)議的三次握手的方式，連接上時柵監(jiān)控系統(tǒng)的端口號和IP地址。等待數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行發(fā)送，則進(jìn)入存儲器讀取數(shù)據(jù)，并以GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送，否則進(jìn)入休眠模式。SIM900軟件控制流程圖，如圖7所示。

圖7 SIM900軟件控制流程圖

5 系統(tǒng)測試

圖8為時柵多模式網(wǎng)絡(luò)接口測試平臺，主要包括：① 時柵傳感器，測量位移；② 光柵，測量位移，結(jié)果作為真值；③ 大理石實驗臺，放置各實驗裝置，保證平穩(wěn)性；④ 步進(jìn)電機(jī)，精準(zhǔn)控制光柵和時柵進(jìn)行勻速運(yùn)動，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；⑤ 信號處理板，包括STM32F07ZGT6主控制電路、以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G通信接口電路；⑥ 控制系統(tǒng)電氣箱，為整個系統(tǒng)提供電源；⑦ 上位機(jī)界面，實時顯示信號采集系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，信號曲線、傳感器運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)等。

圖8 時柵多模式網(wǎng)絡(luò)接口測試平臺

圖9為時柵系統(tǒng)的服務(wù)器接收窗口，在PC機(jī)上顯示。數(shù)據(jù)傳輸主要通過以太網(wǎng)或Wi-Fi接口實現(xiàn)，同時，也可將手機(jī)終端通過4G或者Wi-Fi接收到的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)進(jìn)行顯示處理，這種多樣化的數(shù)據(jù)傳輸方式構(gòu)成了整個系統(tǒng)多種網(wǎng)絡(luò)模式數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖9 服務(wù)器接收窗口

該模式可解決由于不在測量現(xiàn)場或者不具備使用PC機(jī)的條件下而無法獲悉時柵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的難題。同時，PC機(jī)可存儲較為大量的時柵信號等數(shù)據(jù)，可以作為各個時柵傳感器運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的存儲站，為實時掌握時柵運(yùn)行狀態(tài)、及時修正信號誤差、收集時柵運(yùn)行數(shù)據(jù)等提供良好條件。應(yīng)了解每臺時柵傳感器的運(yùn)行特性，有針對性地采用不同的故障診斷的方法，測試修正幅值、相位和頻率，保證每臺時柵都能夠正常運(yùn)行。幅值測試結(jié)果如圖10所示，整個系統(tǒng)誤差曲線如圖11所示，誤差范圍為±2″。

圖10 幅值測試數(shù)據(jù)

圖11 系統(tǒng)誤差曲線

6 結(jié)束語

通過采用基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32F407ZGT6硬件平臺，充分利用μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)和LwIP輕量型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的特點(diǎn)，選擇以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G作為互聯(lián)網(wǎng)通信多模式網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)傳感器互聯(lián)網(wǎng)功能，建立時柵位移傳感器產(chǎn)品后臺服務(wù)終端。并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)成，以及軟硬件實現(xiàn)方法，整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和校驗，可極大提高時柵位移傳感器智能化和數(shù)字化水平，促進(jìn)時柵產(chǎn)業(yè)化。