周校晨,陳圣儉,魏子杰

(裝甲兵工程學院控制工程系,北京100072)

無線傳輸的板形儀壓力測量系統(tǒng)設計*

周校晨,陳圣儉,魏子杰

(裝甲兵工程學院控制工程系,北京100072)

板形儀測量輥有多個測量區(qū),每個測量區(qū)等角度嵌有多個傳感器用于測量帶材的受壓狀況。采用接觸式連接的板形儀無法避免摩擦和磨損造成的波動和干擾,出產的帶材質量低、品質差。基于無線傳輸的板形儀采用無線模塊,可以有效地解決摩擦磨損問題。這套適用于板形儀的信號處理系統(tǒng)前端由調理電路實現(xiàn)整流、濾波、解調和放大,再通過多個單片機主從式并行工作實現(xiàn)信號的傳輸和處理。上位機負責信號的最終處理,實現(xiàn)板形儀工作時的可視化監(jiān)視。經實驗驗證,本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)信號的無線傳輸和處理,出產的帶材品質也有一定程度的提高。

無線傳輸;壓力測量系統(tǒng);MCU

引 言

傳統(tǒng)的板形儀[1]普遍采用接觸式連接,傳軋輥感器連接滑環(huán)軸上的導電中圈;板形儀工作時傳感器產生的電流經導電中圈和柔性炭棒傳送到定子中的處理電路中,進行下一步的信號處理。傳感器受壓產生的電信號極為微弱,其在傳輸過程中對外部條件的要求極高,必須保證導電中圈和炭刷的潔凈、干燥和絕緣。但在工業(yè)軋制中,往往外部環(huán)境較為惡劣,加之軋輥自身在旋轉中存在振動,炭刷與導電中圈之間的摩擦生熱、摩擦磨損等因素會嚴重地影響板形儀板形控制的精度和穩(wěn)定性,影響生產帶材的品質。故本文設計了一套基于無線傳輸的板形儀壓力測量系統(tǒng),以改進傳統(tǒng)板形儀有線連接的不足。壓力測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓力測量系統(tǒng)

整個無線信號處理系統(tǒng)按安裝位置的不同可分為轉子和定子兩部分。轉子包含壓力測量模塊、調理模塊、多單片機系統(tǒng)和無線發(fā)射模塊。轉子固定在測量輥上,隨著輥體轉動。定子由無線接收模塊和上位機組成,安置在軋機外部。

1 壓力測量模塊

壓力測量模塊以壓磁式傳感器[2]為核心部件。整個輥體等分為多個測量區(qū),每個環(huán)型測量區(qū)間隔90°鑲嵌一個壓力傳感器。壓磁式傳感器又稱為磁彈性力傳感器,其工作原理是根據磁致彈性效應,即磁鋼的磁致特性,根據所受外力大小變化而變換。當工作時,壓磁式傳感器受外力作用,根據受力大小產生相應的磁力變化,并將其轉化成電信號輸出。壓磁式傳感器結構簡單、抗干擾能力強、制造方便,能進行大功率輸出,滿足板型測量的需求。

2 信號調理模塊

在板形儀系統(tǒng)中,壓磁式傳感器在受壓時輸出為毫伏級的微弱交流信號,且其幅值的變化規(guī)律和其所受壓力的變化相對應,所以需要信號調理模塊對此信號進行解調,而后才能進行相應的處理。信號調理模塊需要實現(xiàn)的功能有:①將傳感器真實的受力情況還原;②調零(由于在安裝傳感器時,需要預壓力固定,這將導致系統(tǒng)的零點平移到一個非零的位置,因此需要將系統(tǒng)的零點與測量的標準零點校準);③其他基本功能。

2.1 解調放大電路

調制需要合適的載波信號和激勵源,在解調階段,需要同步參考信號作為標準參照。綜合考慮各方面因素選擇正弦波信號進行激勵、載波和參考。本文設計了一套正弦波發(fā)生器[3],其核心為單片集成電路ICL8038波形發(fā)生器,由它再配合外圍元件構成幅值可調、輸出頻率可調的發(fā)生器。由于該波形發(fā)生器產生的信號強度較弱,帶載驅動能力不強,故需要信號放大電路協(xié)作,使其帶載驅動能力達到實驗需要的范疇。放大電路以功率放大器TDA7294連接外圍元件實現(xiàn)。

信號調理部分[4]以平衡調制解調芯片AD630為核心。由于傳感器給出的信號過于微弱,在給到AD630之前有必要對其做相應的放大處理,使信號具有足夠的芯片驅動能力。本實驗采用鎖相放大處理來實現(xiàn)信號的放大操作。這樣,在獲得傳感器受壓信息的同時,能夠最大限度地消除噪聲干擾,使信號更加準確。

2.2 基準校準電路

在部件中安裝的壓磁式傳感器受到的預壓力是不變的,因此設計的基準校準電路針對的校準對象同樣是一個固定大小的直流信號。在此校準電路的設計中,以運算放大器搭建的加減法電路對信號的基準進行校準,具體電路圖如圖2所示。

由圖2可知,補償電壓UB的范圍選擇為-5 V≤UB≤5 V即可,通過調節(jié)電位器滑動觸點的位置進行補償電壓大小的調節(jié),可使壓磁式傳感器只受預壓力時UO=0 V。

圖2 基準校準電路

3 多單片機系統(tǒng)

多單片機協(xié)同工作[5]主要采用RAM共享法和總線共享法來實現(xiàn)并行通信。前者是設置一個RAM區(qū)供各單片機共同享用,每個單片機都有權利對其中的數據進行操作和處理,且每個單片機相互之間獨立,不互相影響,適合快速處理較大數據量的任務;后者,各單片機共享一條總線,但同時至多只有一臺單片機有權占用總線,這種方式適合處理一次性大量數據的傳輸問題。此外,主從式并行通信的方法也被廣泛使用。所謂主從式并行工作,就是多個單片機中,有一個或多個單片機作為主單片機,權力級別高于其他單片機,負責協(xié)調其他單片機正常有序運轉。

在該信號處理系統(tǒng)中,多單片系統(tǒng)不僅要處理多個信號數據,還要有選擇地傳輸數據給上位機(因為所設計的信號處理系統(tǒng)可以依照用戶要求選擇性地顯示重點通道數據,而重點通道由用戶隨機選定)。這就要求設計的多單片機系統(tǒng)有一定的控制能力,故采用主從并行方式通信:選定一個主單片機,該單片機負責協(xié)調其他從單片機工作,并依照上位機要求,選擇性地訪問某個從單片機,從單片機處理和傳輸數據。

選用MPC56F8013數字信號處理器,其是基于56800E核的16位高速數字信號處理器系列中的一員,運算速度快、控制功能強、價格便宜,廣泛應用于儀器儀表、家電、醫(yī)療機械等領域。MPC56F8013數字信號處理器包括16 KB的程序Flash和4 KB的統(tǒng)一數據/程序RAM,具有完整的可編程外設——PWM、ADCs、SCI、SPI、I2C、4通道定時器,可以支持各種各樣的應用。選用ADCs功能,直接可以實現(xiàn)數據的模數轉換。此外,主從單片機的連接采用I2C總線連接,各從單片機之間可獨立工作。

3.1 從單片機的功能

從單片機群組主要負責信號的采樣,并對采樣的信號實現(xiàn)模擬信號到數字信號的轉換。在A/D轉換實現(xiàn)之后,還需對數據進行處理,取出一組數據中的最大值、最小值和均值,并將數據送到緩沖區(qū)等待主單片機的讀取。

從流程上講,以一個從單片機為例,從單片機提取前端線路提供的模擬信號,并通過自身攜帶的ADCs功能,將信號轉化為系統(tǒng)所需的數字信號;信號轉換完成之后,由該單片機處理,取出這些信號的最大值、最小值和均值;而后將處理完的信號按照I2C協(xié)議發(fā)送到數據緩沖區(qū)以等待主單片機的訪問。

3.2 主單片機的功能

主單片機主要負責協(xié)調從單片機的有序工作。此外,主單片機還負責激活無線模塊向上位機發(fā)送數據。為了達到板形控制的目的,所設計的主單片機既可以顯示所有通道的數據,又可以按照用戶要求,顯示重點通道的數據。這就要求主單片機在讀取數據時有兩種工作模式:模式一,主單片機讀取從單片機所有通道數據;模式二,主單片機讀取重點通道數據,主單片機的工作模式是由上位機軟件控制選取。

主單片機工作流程:首先,在初始化完畢之后,主單片機要讀取目前上位機給出的工作模式設定。若是在正常的工作模式下,主單片機會無選擇地讀取所有緩沖區(qū)的數據,并將數據傳輸給上位機;但如果處于檢修的工作模式,主單片機會優(yōu)先讀取上位機設定的重點通道數據,其次再讀取其他通道數據,接著依次將數據傳輸給上位機。與從單片機一樣,主單片機的工作與否也完全由上位機決定。

4 無線傳輸和上位機模塊

本系統(tǒng)采用XL02-232AP1無線模塊實現(xiàn)信號的無線收發(fā)功能。該模塊最大傳輸距離約300 m,可以完全滿足系統(tǒng)的工業(yè)應用要求,工作頻率、串口速率和頻率均可自行配置,參數設計方便快捷,并且支持UART協(xié)議、體積小、適用面廣。本系統(tǒng)選擇該模塊的原因主要有兩點: XL02-232AP1模塊與單片機相連時,只要是TTL電平,就可直接連接,這可以在單片機系統(tǒng)和無線模塊的協(xié)調配合上省去很多的工作量;該模塊的工作頻率、串口速率和頻率均可自行配置。采用本模塊后,無疑可增強整個信號處理系統(tǒng)的適用性。

上位機[6]軟件能通過以下途徑控制系統(tǒng):①系統(tǒng)初始化;②工作模式選擇;③重點監(jiān)視通道[7]的選定;④系統(tǒng)是否工作。上位機軟件功能流程圖如圖3所示。

5 實驗驗證

依據設計方案,結合前端完成的信號調理電路,實驗用板型輥中安裝壓磁式測壓頭傳感器,按圖4所示搭建實物實驗系統(tǒng),用以進行系統(tǒng)的標定和實驗。

圖3 上位機軟件功能流程圖

圖4 實物搭建

在試驗系統(tǒng)的砝碼拉桿上依次加載砝碼,添加/取下砝碼的順序為10.05 kg-10.05 kg-10.05 kg-5 kg-10.05 kg-10.05 kg-10.05 kg的順序,添加/取下砝碼后待系統(tǒng)讀數穩(wěn)定下來再讀取每次上位機系統(tǒng)中顯示的數值并記錄。對系統(tǒng)進行功能驗證實驗所得到的實驗數據如表1所列。

表1 添加/取下不同重量砝碼時的讀數數據

由表1可以得出,系統(tǒng)具有較高的精度,能夠滿足高精度板型檢測的需求。

[1]徐利璞,尤磊,王大號.ABB板形儀在冷軋帶鋼生產中的應用[J].中國冶金,2014,24(11):23-26.

[2]ABB官網.ABB板型儀安裝、結構、原理,2011.

[3]溫熙森,易曉山,徐永成,等.智能機內測試理論與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[4]王志穎.復雜裝備智能機內測試技術研究[D].成都:電子科技大學,2010.

[5]王新輝,王梓全,劉輝,等.多單片機協(xié)同工作方法研究及應用[J].長沙大學學報.2012.26(2):26-28.

[6]呂振遼,羅浩,潘文才.冷連軋機軋制過程數據采集系統(tǒng)[J].自動化儀表,2013,24(1):39-41.

[7]張清東,陳先霖,何安瑞,等.冷軋寬帶鋼板形檢測與自動控制[J].鋼鐵,1999,1(10):69-72.

周校晨(碩士)、魏子杰(博士):主要從事檢測技術與自動化裝置的研究;陳圣儉(教授),主要從事可檢測性設計技術、故障診斷等研究。

(責任編輯:楊迪娜 收修改稿日期:2016-05-03)

Shapemeter Pressure Measurement System Based on Wireless Transmission

Zhou Xiaochen,Chen Shenjian,Wei Zijie
(Control Enqineering Department,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

The flatness measurement roller has a plurality of measurement zones,each measuring zone equal angle is embedded with a plurality of sensors for measuring pressure status strip.Using the contact connector plate-shaped instrument can not avoid friction and fluctuation and interference caused by wear and tear,the strip produced by this device is of low quality and poor quality.The shapemeter based on wireless transmission using wireless module can effectively solve the problem of friction and wear.This signal processing system front-end of the shapemeter achieves the rectification,filtering,demodulation and amplification by the conditioning circuit.Then the signal transmission and processing is achieved by using multiple single microcomputer in parallel operation.The host computer is responsible for the final processing of the signal,and the visual monitoring of the shapemeter is realized.The experiment results prove that the system can achieve wireless transmission and processing of signals,so the strip quality also has a certain degree of improvement.

wireless transmission;pressure measurement systems;MCU

TP13

:A

國家級-國家自然科學基金(61179001)。