韓延?xùn)|，任永杰，楊學(xué)友

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津300072)

wMPS測量系統(tǒng)中的新型電源控制箱設(shè)計

韓延?xùn)|，任永杰，楊學(xué)友

(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津300072)

設(shè)計了為室內(nèi)空間測量定位系統(tǒng)(wMPS)供電的新型電源控制箱。該電源控制箱從機械結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的快速布站，同時引入無線控制功能，完善了通訊協(xié)議，可以及時準(zhǔn)確監(jiān)控測量系統(tǒng)的運行狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計大大提高了測量系統(tǒng)的便攜靈活性，并可通過無線功能配套相關(guān)協(xié)議，實時監(jiān)控測量系統(tǒng)狀態(tài)，為測量系統(tǒng)的可靠運行提供必要的技術(shù)保障。

電源控制箱；通訊協(xié)議；無線控制；wMPS；狀態(tài)監(jiān)測

基于角度交會的網(wǎng)絡(luò)布站式測量系統(tǒng)(wMPS)已廣泛應(yīng)用在多種工業(yè)測量領(lǐng)域，系統(tǒng)內(nèi)可靠穩(wěn)定的供電裝置是準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)。電源箱需要持續(xù)穩(wěn)定的對wMPS系統(tǒng)內(nèi)的測量發(fā)射站進行供電，測量發(fā)射站才能發(fā)射出掃描光，構(gòu)建掃描區(qū)域，獲得待測點信息。wMPS測量系統(tǒng)現(xiàn)場布局如圖1所示。

圖1 wMPS測量系統(tǒng)現(xiàn)場布局圖

由圖1可知，每臺發(fā)射站均配備一個電源箱，箱體內(nèi)部安放有電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電給發(fā)射站供電。原有電源箱箱體笨重，且需要較長外部接線才能保證發(fā)射站安放在三腳架上，在工業(yè)現(xiàn)場很容易被工人誤碰或碾壓，而且該測量系統(tǒng)為多站式的網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，原有電源箱功能單一，制約了測量系統(tǒng)效能的發(fā)揮，因而有必要重新設(shè)計電源控制箱，以下簡稱“電控箱”。本文設(shè)計的電控箱在箱體機械結(jié)構(gòu)上進行了改良，極大減小體積，同時使電控箱可以安放在三腳架上，同時頂部牢固承載發(fā)射站，實現(xiàn)供電測量一體化。箱體內(nèi)安放了具備無線功能的控制單元，并對通訊協(xié)議進行了優(yōu)化，可以安全有效地承擔(dān)部分測量與監(jiān)測工作。新舊電源箱對比圖如圖2所示。

圖2 新舊電源箱對比

1 硬件設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電控箱內(nèi)部加入的控制板是整個新型供電裝置的關(guān)鍵。每臺測量發(fā)射站均配備一個電控箱，兩者之間通過短線纜連接，線纜內(nèi)部包含供電線纜和RS485通訊線纜，選用RS485線纜是因為其抗干擾能力強、傳輸速率高?？刂瓢暹x用ARM7芯片LPC2103作為CPU，UART作為通訊接口，同時加入串口無線模塊USR-WIFI232-B，并編寫相關(guān)通訊協(xié)議，實現(xiàn)發(fā)射基站單元的遠程控制和組網(wǎng)。箱體內(nèi)部控制板功能布局圖及實物圖如圖3所示。

圖3 電路板布局圖及實物圖

1.2 電子開關(guān)設(shè)計

測量系統(tǒng)測量過程中，測量發(fā)射站會重復(fù)“啟動-運行-停止”的過程。新型電控箱在控制板上引入MOS電子開關(guān)[1]。本文設(shè)計時選用的是IRF9393TRPbF，導(dǎo)通電壓要求小于－2.4 V，－與導(dǎo)通電阻關(guān)系如圖4所示。

圖4 －與關(guān)系圖

控制板CPU配合PMST3904三極管，通過電阻分壓，使三極管處于飽和區(qū)，放大倍數(shù)為10，傳輸控制信號令－在6～8 V之間，由圖4可知，在10～20 mΩ。根據(jù)，電子開關(guān)工作時消耗功率為=0.4 A×0.4 A×20 mΩ= 3.2 mW，即可以在不影響系統(tǒng)整體功率的同時準(zhǔn)確實現(xiàn)供電的開斷，相比原有電源箱的硬性開斷電方式，對提高發(fā)射站的使用壽命、優(yōu)化測量系統(tǒng)有顯著效果。啟動和停止流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 開機流程圖

圖6 關(guān)機流程圖

2 軟件設(shè)計

2.1 無線組網(wǎng)配置

帶有無線功能的電控箱能夠協(xié)助構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)式測量布局[2]，現(xiàn)場測量布局如圖7所示。利用電控箱的無線功能將控制板配置成一個無線工作站(STA)進行組網(wǎng)，即選取無線模塊為無線網(wǎng)絡(luò)終端。模塊支持在聯(lián)網(wǎng)過程中綁定目的網(wǎng)絡(luò)的BSSID功能。根據(jù)802.11協(xié)議規(guī)定，不同的無線網(wǎng)絡(luò)可以有相同的網(wǎng)絡(luò)名稱，但是必須對應(yīng)唯一的BSSID地址(即MAC地址)。通過BSSID地址綁定，可以防止STA接入到非法網(wǎng)絡(luò)上，提高了無線網(wǎng)絡(luò)通訊的安全性。

圖7 無線測量網(wǎng)絡(luò)布局圖

測量現(xiàn)場實際操控時，測量人員在PC機通訊軟件中將PC機設(shè)置為TCP Client，以當(dāng)前計算機IP(不同電腦會有不同IP)10.10.100.101，對應(yīng)服務(wù)器IP10.10.100.254，WIFI連接成功后，PC機對端口號“8899”服務(wù)器端口進行監(jiān)聽，達到無線通訊效果。每臺PC機會有固定唯一IP，保證了無線通訊的可靠性和安全性。

2.2 通信協(xié)議校驗優(yōu)化設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場內(nèi)進行測量，測量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的通訊需要通訊協(xié)議，以使測量發(fā)射站與電控箱之間可以安全地進行“交流”。通訊協(xié)議保證了讀取的測量發(fā)射站速度、內(nèi)參量等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并為控制指令的傳輸提供保護。為了提高通訊過程的抗干擾性，在通訊協(xié)議中加入了CRC校驗[3]，并對校驗過程進行了改進優(yōu)化。

CRC全名為循環(huán)冗余校驗，一般用在通信領(lǐng)域來實現(xiàn)差錯控制，本文采用CRC16-CCITT校驗方式。若數(shù)據(jù)信息長度為位，校驗字段為位，則發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)代碼總長為位。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間遵循的規(guī)則進行檢驗來確保傳送正常，這個規(guī)則即為“生成多項式”。CRC16-CCITT的生成多項式為：

本通訊協(xié)議中為了保證測量數(shù)據(jù)回傳的及時性，對普通的CRC校驗進行了改進。根據(jù)XOR除法的交換律，有：

圖8 帶有CRC校驗的指令結(jié)構(gòu)圖

其中“OpCode”為協(xié)議雙方協(xié)定好的幀頭命令，“l(fā)en-1”中“Len”為發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，“DATA”為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，“CRC”為根據(jù)生成多項式計算出的校驗碼。電控箱與發(fā)射站之間的校驗通訊應(yīng)答流程圖如圖9所示。

圖9 電控箱與發(fā)射站通訊應(yīng)答流程圖

本通訊協(xié)議指令中指出了消息長度，沒有采用結(jié)束標(biāo)志的方式，目的在于防止產(chǎn)生以下幾種差錯：消息之前額外增加1個或多個0；消息以1個或多個連續(xù)0字節(jié)開始，丟掉1個或多個0；消息之后額外增加1個或多個0；消息以1個或多個連續(xù)的0字節(jié)結(jié)尾，丟掉1個或多個0。以上差錯在不指定通訊指令長度時會高頻率產(chǎn)生，并且很難檢測排除，主要原因在于寄存器值為0時，處理0消息字節(jié)，寄存器值不變。

為了解決以上問題，本文對CRC16-CCITT校驗程序進行了優(yōu)化。針對前兩個問題，在程序中進行如下修改(下劃線部分為修改處)：

通過對crc-reg進行右移8位的操作，以及與0xff相“與”，保證了寄存器初值非0，解決了情況前兩種差錯。

針對后兩個問題，在 CRC16-CCITT標(biāo)準(zhǔn)中，令reg-init=0xffff，然后與計算出的校驗碼進行“亦或”運算，可以解決后兩種差錯，方案如下：

2.3 測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與響應(yīng)

通訊過程有通訊協(xié)議及CRC校驗，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此電控箱內(nèi)CPU芯片接收到反饋數(shù)據(jù)后，根據(jù)初始設(shè)計程序進行解算，然后傳輸?shù)缴衔粰C窗口，即可將測量發(fā)射站狀態(tài)數(shù)據(jù)實時顯示出來，解算流程如圖10所示。

圖10 速度數(shù)據(jù)解算流程圖

在通訊過程中需要注意規(guī)劃一次完整通訊的時間[4]，否則在傳輸數(shù)據(jù)時容易造成堵塞。本系統(tǒng)波特率設(shè)定為9 600 b/s，一字節(jié)傳送耗時為10 b/9 600 b/s=1.04 ms，每次電控箱向發(fā)射站發(fā)送指令耗時為1.04 ms×10=10.4 ms，發(fā)射站反饋信息傳輸時間為1.04 ms×11=11.44 ms，考慮到CPU解算耗時少，所以單次發(fā)送指令進行測速耗時約為25 ms。發(fā)射站設(shè)定的響應(yīng)超時時間為100 ms，遠大于25 ms，確保了查詢發(fā)射站狀態(tài)信息的及時性和數(shù)據(jù)傳送的流暢性。

3 實驗結(jié)果

在上位機與電控箱內(nèi)的無線模塊成功進行WIFI組網(wǎng)連接[5]后，無線通訊控制主要實現(xiàn)三個功能：一是通過無線發(fā)送相應(yīng)指令到電控箱，進而控制測量發(fā)射站達到上電自動啟動和斷電前自動關(guān)機；二是根據(jù)用戶需求讀取發(fā)射站ID及相應(yīng)結(jié)構(gòu)參量，在組網(wǎng)定向時提供配置依據(jù)；三是遠程發(fā)送測速指令，監(jiān)測或變更測量發(fā)射站旋轉(zhuǎn)速度。

3.1 無線開關(guān)機與讀取內(nèi)參量實驗

通過無線聯(lián)網(wǎng)(由圖11可知通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，已成功將控制電路板設(shè)置為STA并成功連接)后，電源控制箱遠程先后發(fā)送：開機指令、監(jiān)測發(fā)射站內(nèi)參量指令、關(guān)機指令。數(shù)據(jù)反饋如圖11，可知測量發(fā)射站先后反饋的“開機指令已發(fā)送”、8個內(nèi)參量和“關(guān)機指令已發(fā)送”，與預(yù)期結(jié)果沒有偏差，內(nèi)參量驗證無誤。

圖11 無線組網(wǎng)測量圖

3.2 無線測速實驗

實驗時將測量發(fā)射站上電后加速度設(shè)置為10 r/s2，發(fā)射站目標(biāo)速度為1 850 r/m。電控箱與測量發(fā)射站無線組網(wǎng)后，通過WIFI重復(fù)發(fā)送1 000次測速指令，讀取的速度數(shù)據(jù)取其中990～1 130 r/m部分如圖12所示。單次測量耗時為25 ms，重復(fù)發(fā)送指令間隔已設(shè)置為600 ms，即測量出一次速度數(shù)據(jù)時間約為25 ms+600 ms=625 ms。由990 r/m增加到1 130 r/m理論耗時約為(1 130 r/m－990 r/m)/10 r/s2=14 s。圖12中數(shù)據(jù)量為22個，即測量耗時約為625 ms×22=13.75 s，與理論耗時基本一致，無數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，且測量數(shù)據(jù)均單次單行顯示，無數(shù)據(jù)堵塞或延遲發(fā)送現(xiàn)象，實驗結(jié)果正常。

圖12 無線組網(wǎng)測速圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種帶有無線功能的新型電源控制箱對wMPS測量系統(tǒng)中的發(fā)射站進行供電，并通過實驗驗證，在通訊協(xié)議的支持下，電源控制箱通過無線聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對測量發(fā)射站的遠程控制和對測量發(fā)射站內(nèi)參量的讀取。新型電源控制箱改進的機械結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定，配合完善的無線控制功能，目前已在沈陽飛機制造廠等大型工廠投入使用，效果良好，功能性和便攜性均明顯優(yōu)于原有電源箱，對wMPS測量系統(tǒng)的優(yōu)化有重要意義。

本文設(shè)計的電源控制箱在現(xiàn)場應(yīng)用后，為了提高系統(tǒng)通信的實時性和可靠性，以后考慮在控制板內(nèi)植入嵌入式操作系統(tǒng)，如μC/OS-II、FreeRTOS等，其提供的任務(wù)調(diào)度機制能夠增強無線控制的協(xié)調(diào)性和及時性，并且便于裁剪和移植，能夠令電源控制箱的功能得到進一步發(fā)揮。

[1]馬效波，徐世六，王永祿.適于低電源電壓應(yīng)用的新型MOS自舉采樣開關(guān)[J].微電子學(xué)，2012，41(6)：794-798.

[2]楊釗.基于ZigBee技術(shù)的wMPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3]劉星華.CRC校驗在單片機系統(tǒng)中的軟件快速實現(xiàn)[J].福建工程學(xué)院學(xué)報，2007，5(1)：76-78.

[4]王希朝，張毅，程鵬，等.面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2013，32(8)：45-47.

[5]WOO S，JEONG S，MOK E，et al.Application of WiFi-based indoor positioning system for labor tracking at construction sites:A case study in Guangzhou MTR[J].Automation in Construction，2011，20(1):3-13.

圖10 市電太陽能聯(lián)合供電

5 結(jié)論

本文利用單片機搭建了太陽能/市電聯(lián)合供電的LED照明系統(tǒng)。以太陽能作為主要能源，市電作為補充能源，最大限度地利用可再生能源，根據(jù)雙輸入Buck工作原理制定合理的控制方案保證兩路輸入源協(xié)調(diào)工作，負載穩(wěn)定工作，最后通過實驗驗證方案可行。

參考文獻：

[1]谷峰.太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中控制器和驅(qū)動器的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[2]顏燕燕，李正明.市電互補控制器的設(shè)計[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012 (1)：39-42.

[3]王偉.太陽能光伏/市電并網(wǎng)聯(lián)合供電系統(tǒng)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[4]徐敏.氫光聯(lián)合供電系統(tǒng)的能量管理[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[5]王偉，吳犇，金科，等.太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(10)：249-254.

[6]楊東升，楊敏，阮新波.雙輸入Buck變換器的單周期控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，27(1)：162-171.

[7]李艷，阮新波，楊東升.一種新的雙輸入直流變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(6)：77-82.

[8]李艷，阮新波，楊東升，等.雙輸入直流變換器的建模與閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(11)：90-99.

[9]CHEN Y M，LIU Y C，WU T F.Multi-input DC/DC converter based on the multiwinding transformer for renewable energy applications[J].IEEE Trans on Industry Applications，2002，38(4): 1096-1104.

[10]DOBBS B G，CHAPMAN P L.A multiple-input DC-DC converter topology[J].IEEE Power Electron Lett，2003，1(1):6-9.

[11]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.獨立光伏照明系統(tǒng)中的能量管理控制[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(22)：68-72.

New design of power supply controller in wMPS measuring system

A new power supply controller powering the indoor space measurement positioning system (wMPS)was designed.The optimization of the mechanical structure design can make it possible for the quick fixing up of the transmitting station.The wireless control was introduced to improve communication protocol.The new controller can accurately monitor the condition of the measurement system in real time.Based on the experiment，the remarkable improvement appears on both flexibility and portability of the system due to the new design. With the wireless features and strict communication protocol，the new power supply controller provides necessary technical support for the reliable operation of the measurement system.

power supply controller;communication protocol;wireless control;wMPS;condition monitoring

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0861-04

2015-09-12

國家“863”計劃(2012AA041205)

韓延?xùn)|(1989—)，男，河北省人，碩士，主要研究方向為wMPS測量系統(tǒng)的電源控制箱設(shè)計。