基于蓝牙技术的数控机床无线电流采集系统

佟荣磊　刘强

摘 要： 为优化数控加工过程中切削及进给速度，以测量数控机床主轴及进给轴电机电流为目标，设计研制了一套基于ARM及蓝牙技术的无线电流采集系统。系统以基于ARM?M3的嵌入式微控制器和基于CSR BC04的蓝牙模块为核心，重点研究了使用ARM进行多路数据采集的嵌入式应用以及采用HCI UART的蓝牙无线通信方式。试验结果表明系统软硬件工作正常，可同时测量4路交直流电流，单路采样频率最高可达720 Hz，具备一定的抗干扰能力，能够满足数控加工过程中电流采集任务的要求。

关键词： 蓝牙； ARM； 数据采集； 无线通信

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0113?03

Abstract： In order to optimize the cutting and feed speed of the NC machining process， a wireless current acquisition system based on ARM and bluetooth technique was developed to detect the current of the main spindle and feed shaft motor on CNC. The embedded microcomputer based on ARM?M3and Bluetooth module based on CSR BC04 are taken as cores of this system. The embedded mode for executing multi?channel data acquisition by ARM and HCI UART based bluetooth wireless communication mode are mainly discussed. The experimental result proves that the software and hardware work well， can meet the requirements of the current acquisition in the machining procedure， and can measure four?channel AC/DC current signals at the same time. The system possesses a certain anti?interference capability. Its single channel sampling frequency is up to 720 Hz.

Keywords： bluetooth； ARM； data acquisition； wireless communication

0 引 言

随着制造业规模的增大数控加工已成为当今主流的加工方法。为提高加工效率、保证工件质量，对加工过程中反映机床状态的信号进行监测很有必要[1?2]。电流信号揭示机床电机功率信息，可在一定程度上反映负载状况，如切削负载与主轴功率存在着对应关系[3]。以色列OMATIVE公司的ACM产品[4]通过监测主轴电流对切削过程的主轴负载进行检测，并将每一步走刀的进给速率自动调节到最合适的数值，在保护刀具、主轴的同时缩短加工周期。可以看出，设计一套数控机床电机电流采集系统对数控加工很有必要。由于机床环境复杂，采用传统的有线方式有布线困难、拆装繁琐等缺陷，因此采用无线技术。

无线采集技术在工业领域应用广泛，在布线复杂并需要反复拆装被测设备和测试设备之间连线的场合，使用无线技术可以降低工作的复杂程度，节约大量的时间，提高信号采集的工作效率[5]。蓝牙技术是一种近距离无线电通信标准，支持单点对单点和一点对多点的无线通信。在采集设备中，使用蓝牙可以取代采集装置与被测设备的电缆连接，缩短安装时间，提高效率。此外，蓝牙采用快速跳频技术，连接链路稳定，抗干扰能力强，并且可以用单芯片实现，体积、功耗较小，因此适用于工业无线采集[6]。

本文针对数控机床多路电流信号测量，提出一种基于ARM和蓝牙技术的无线采集系统的设计与实现。

1 系统硬件设计

系统硬件分为采集模块和传输模块两个部分。采集模块主要负责从数控机床主轴及进给轴电机上测得电流并转化为数字信号，传输模块负责将得到的数字信号发送给上位机进行负载分析。系统的硬件图见图1。

1.1 传感器及芯片选择

1.1.1 电流传感器的选择

电流信号的测量一般选用霍尔电流传感器，它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点 [7]。为实际安装方便，系统采用开启式霍尔电流传感器，型号为WBI412LY05?25。该产品采用电磁原理，对电网中的交直流电流进行实时测量，将其变换为标准信号输出，具有过载能力强、高隔离等特点，产品如图2所示。

1.1.2 蓝牙模块的选择

传输模块使用的蓝牙芯片是已经商品化的蓝牙模块，其核心是CSR公司的BlueCore04蓝牙芯片，它与外围器件一起构成蓝牙模块，型号为HC?06。该模块体积较小，提供UART和USB接口，工作模式分为AF指令模式和透明传输模式。模块用于实际数据采集前需用AF指令集对模块进行预设置（波特率、传输位、停止位等），实际使用过程中模块处于透明传输模式，可完全看作串口处理[8]。

1.1.3 微处理器的选择

采集系统中的微处理器主要负责对采集过程进行编程与控制，将采集到的信号A/D转换为12位数字信号，最终通过USART连接蓝牙模块将内存中的数字信号传输至上位机进行分析。由于蓝牙模块自带UART模式，可直接与ARM单片机连接，上位机则需要单独设置蓝牙虚拟串口，工作时两端建立连接，从而实现数据传输。

基于ARM?M3核心的微处理器具有运算速度快、体积小，功耗低、外围接口资源丰富等优点[9]。采集系统使用以ARM?M3为核心的STM32?F106VE型单片机（TheOne103I）。

1.2 采集模块

试验时针对数控机床主轴以及三个进给轴电机电流进行采集，需要同时测量4路电流，由于电流变化缓慢，每路电流的采样频率定为10～100 Hz。STM32自带16个外部信号源12位逐次比较型ADC通道，可将电压信号转换为数字信号。系统暂用4个普通引脚和1个GND引脚作为接收端连接传感器的输出端，获取传感器的输出，如图3所示。注意传感器的输出电压大于ADC的转换范围，接线时需采用电阻分流。由于电流传感器较为精密，输出电压相对稳定，可在一定程度上对采集模块进行保护。

1.3 传输模块

传感器输出的电压信号经由ADC转换为数字信号，通过蓝牙传输至上位机。蓝牙模块的供电由单片机完成，二者采用串口连接，接收端为上位计算机（自带蓝牙或蓝牙适配器）。工作时首先需为上位机配置蓝牙虚拟串口，继而与单片机建立连接，最终进行数据的透明传输，过程示意如图4所示。

STM32中的MAX 3232为电平转换芯片，作用是将TTL电平转换为RS 232电平，使得PC串口识别传入信号，进行透明传输[9]。蓝牙通信速度可达2 Mb/s，但需注意，由于蓝牙模块与单片机采用串口通信，所以实际的传输速度受该串口波特率限制，为计算机编程方便，设为115 200 b/s，按4通道、5位精度计算采样速度，最高可达720 S/s，该速度可完全满足机床电流信号的测量。

2 系统软件设计

系统的编程任务主要是电流值的计算以及数字信号的传输。电流信号经传感器转换以及电阻分流后成为0～3.3 V的电压信号，再经过ADC成为ADC数字量，电流值的计算公式可按下式处理（50 A量程）：

[电流（A）=ADC数字量×503.3]

数据传输需要以下步骤：首先进行系统初始化，包括STM32串口及蓝牙模块，继而判断系统是否已开始采集，由于系统为实时采集，所以采集和传输任务是同时进行的。数据传输开始的标识是两端建立串口连接，链路确定后便可进行实际的数据收发，断开连接相当于停止采集。以上步骤如图5所示。

注意，传感器采集电流时是多路同时进行的，单片机的ADC过程与之相同，由于无法改变传感器的采样频率，所以ADC的频率实际代表了系统采样频率。ADC的转换时间与时钟和采样周期相关，试验中的转换时间可以用下式表示：

[Tconv（μs）=采样周期+12.5时钟频率（MHz）]

编程时让单片机始终按预设较高频率进行ADC，系统暂定的转换时间为7.56 μs，运行时始终保持不变。若采集过程中需要改变采样速度，可以通过改变数据传输速度的方式来实现。

另一个问题是虽然STM32同时获得了4通道数字信号，但实际上单片机中与MAX 3232电平转换芯片连接的串口只有一个，也就是说只有一个通道可以进行数据传输任务。为保证采集的正确性，在一个循环内首先按顺序将同次ADC获取的数字信号存为一个字符串，将该字符串发送给上位机，接收端则根据每路数字信号的预设长度对字符串进行解码，从而实现发送、接收的配对，该方法也在一定程度上实现了数据加密。

3 运行测试

设计完成后，对整套系统进行测试。首先检测硬件，用万用表测量标准电流下传感器的输出电压，利用RS 232在PC上对单片机的ADC功能进行验证。经测试，传感器和STM32 ADC均可正常使用。第二步检测传输模块是否工作正常，由于手机的蓝牙功能大都稳定可靠，所以使用手机测试系统的传输模块[10]。硬件连接后，下载软件使系统发送数字字符串，手机连接至单片机接收数据，结果表明蓝牙模块通信正常。最后进行电流采集试验，上位机选用带蓝牙的笔记本电脑，4通道采集，接收界面如图6所示。经多次试验，电流测量值幅值稳定，表明系统软硬件工作正常，可顺利完成预设任务。

4 结 语

本课题基于蓝牙技术对数控机床电流信号进行无线采集，是近距离无线通信技术在数采领域中的典型应用。目前系统已能够实现多路电流信号的实时采集传输，但尚未在车间环境中进行试验，对于蓝牙模块在强电环境的抗干扰能力有待研究。本设计可以方便的通过PC监测机床运行过程中的电流信号，进一步可以考虑建立车间采集局域网，实现多机床联合数据监测分析等功能，这将在极大程度上节约成本、简化操作。采集系统经过多次试验验证，设计较为可靠、软硬件工作正常，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] ALTINTAS Y.数控技术与制造自动化[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化：建模、算法与工程应用[M].北京：航空工业出版社，2011.

[3] 张琛.基于主轴电机电流的铣削力监控方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[4] 刘志兵，杨晓红.自适应控制技术在CNC机床上的应用[J].制造技术与机床，2005（10）：107?109.

[5] 张虹，徐兴.基于ARM和蓝牙的无线信号采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2008，31（9）：24?28.

[6] 涂淞，岳云天，郁滨.基于BlueCore蓝牙芯片的USB和UART接口设计与实现[J].电子技术，2003（7）：36?39.

[7] 李泽勇，王文生.闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用[J].电子技术应用，2004（5）：20?22.

[8] 李建明，邱东利.基于BT1800?1远距离蓝牙模块的数据传输系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：26?27.

[9] 廖义奎.Cortex?M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[10] 盛佳乐.基于ARM的蓝牙数据通信系统[D].北京：北京交通大学，2008.

基于ARM?M3核心的微处理器具有运算速度快、体积小，功耗低、外围接口资源丰富等优点[9]。采集系统使用以ARM?M3为核心的STM32?F106VE型单片机（TheOne103I）。

1.2 采集模块

试验时针对数控机床主轴以及三个进给轴电机电流进行采集，需要同时测量4路电流，由于电流变化缓慢，每路电流的采样频率定为10～100 Hz。STM32自带16个外部信号源12位逐次比较型ADC通道，可将电压信号转换为数字信号。系统暂用4个普通引脚和1个GND引脚作为接收端连接传感器的输出端，获取传感器的输出，如图3所示。注意传感器的输出电压大于ADC的转换范围，接线时需采用电阻分流。由于电流传感器较为精密，输出电压相对稳定，可在一定程度上对采集模块进行保护。

1.3 传输模块

传感器输出的电压信号经由ADC转换为数字信号，通过蓝牙传输至上位机。蓝牙模块的供电由单片机完成，二者采用串口连接，接收端为上位计算机（自带蓝牙或蓝牙适配器）。工作时首先需为上位机配置蓝牙虚拟串口，继而与单片机建立连接，最终进行数据的透明传输，过程示意如图4所示。

STM32中的MAX 3232为电平转换芯片，作用是将TTL电平转换为RS 232电平，使得PC串口识别传入信号，进行透明传输[9]。蓝牙通信速度可达2 Mb/s，但需注意，由于蓝牙模块与单片机采用串口通信，所以实际的传输速度受该串口波特率限制，为计算机编程方便，设为115 200 b/s，按4通道、5位精度计算采样速度，最高可达720 S/s，该速度可完全满足机床电流信号的测量。

2 系统软件设计

系统的编程任务主要是电流值的计算以及数字信号的传输。电流信号经传感器转换以及电阻分流后成为0～3.3 V的电压信号，再经过ADC成为ADC数字量，电流值的计算公式可按下式处理（50 A量程）：

[电流（A）=ADC数字量×503.3]

数据传输需要以下步骤：首先进行系统初始化，包括STM32串口及蓝牙模块，继而判断系统是否已开始采集，由于系统为实时采集，所以采集和传输任务是同时进行的。数据传输开始的标识是两端建立串口连接，链路确定后便可进行实际的数据收发，断开连接相当于停止采集。以上步骤如图5所示。

注意，传感器采集电流时是多路同时进行的，单片机的ADC过程与之相同，由于无法改变传感器的采样频率，所以ADC的频率实际代表了系统采样频率。ADC的转换时间与时钟和采样周期相关，试验中的转换时间可以用下式表示：

[Tconv（μs）=采样周期+12.5时钟频率（MHz）]

编程时让单片机始终按预设较高频率进行ADC，系统暂定的转换时间为7.56 μs，运行时始终保持不变。若采集过程中需要改变采样速度，可以通过改变数据传输速度的方式来实现。

另一个问题是虽然STM32同时获得了4通道数字信号，但实际上单片机中与MAX 3232电平转换芯片连接的串口只有一个，也就是说只有一个通道可以进行数据传输任务。为保证采集的正确性，在一个循环内首先按顺序将同次ADC获取的数字信号存为一个字符串，将该字符串发送给上位机，接收端则根据每路数字信号的预设长度对字符串进行解码，从而实现发送、接收的配对，该方法也在一定程度上实现了数据加密。

3 运行测试

设计完成后，对整套系统进行测试。首先检测硬件，用万用表测量标准电流下传感器的输出电压，利用RS 232在PC上对单片机的ADC功能进行验证。经测试，传感器和STM32 ADC均可正常使用。第二步检测传输模块是否工作正常，由于手机的蓝牙功能大都稳定可靠，所以使用手机测试系统的传输模块[10]。硬件连接后，下载软件使系统发送数字字符串，手机连接至单片机接收数据，结果表明蓝牙模块通信正常。最后进行电流采集试验，上位机选用带蓝牙的笔记本电脑，4通道采集，接收界面如图6所示。经多次试验，电流测量值幅值稳定，表明系统软硬件工作正常，可顺利完成预设任务。

4 结 语

本课题基于蓝牙技术对数控机床电流信号进行无线采集，是近距离无线通信技术在数采领域中的典型应用。目前系统已能够实现多路电流信号的实时采集传输，但尚未在车间环境中进行试验，对于蓝牙模块在强电环境的抗干扰能力有待研究。本设计可以方便的通过PC监测机床运行过程中的电流信号，进一步可以考虑建立车间采集局域网，实现多机床联合数据监测分析等功能，这将在极大程度上节约成本、简化操作。采集系统经过多次试验验证，设计较为可靠、软硬件工作正常，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] ALTINTAS Y.数控技术与制造自动化[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化：建模、算法与工程应用[M].北京：航空工业出版社，2011.

[3] 张琛.基于主轴电机电流的铣削力监控方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[4] 刘志兵，杨晓红.自适应控制技术在CNC机床上的应用[J].制造技术与机床，2005（10）：107?109.

[5] 张虹，徐兴.基于ARM和蓝牙的无线信号采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2008，31（9）：24?28.

[6] 涂淞，岳云天，郁滨.基于BlueCore蓝牙芯片的USB和UART接口设计与实现[J].电子技术，2003（7）：36?39.

[7] 李泽勇，王文生.闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用[J].电子技术应用，2004（5）：20?22.

[8] 李建明，邱东利.基于BT1800?1远距离蓝牙模块的数据传输系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：26?27.

[9] 廖义奎.Cortex?M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[10] 盛佳乐.基于ARM的蓝牙数据通信系统[D].北京：北京交通大学，2008.

基于ARM?M3核心的微处理器具有运算速度快、体积小，功耗低、外围接口资源丰富等优点[9]。采集系统使用以ARM?M3为核心的STM32?F106VE型单片机（TheOne103I）。

1.2 采集模块

试验时针对数控机床主轴以及三个进给轴电机电流进行采集，需要同时测量4路电流，由于电流变化缓慢，每路电流的采样频率定为10～100 Hz。STM32自带16个外部信号源12位逐次比较型ADC通道，可将电压信号转换为数字信号。系统暂用4个普通引脚和1个GND引脚作为接收端连接传感器的输出端，获取传感器的输出，如图3所示。注意传感器的输出电压大于ADC的转换范围，接线时需采用电阻分流。由于电流传感器较为精密，输出电压相对稳定，可在一定程度上对采集模块进行保护。

1.3 传输模块

传感器输出的电压信号经由ADC转换为数字信号，通过蓝牙传输至上位机。蓝牙模块的供电由单片机完成，二者采用串口连接，接收端为上位计算机（自带蓝牙或蓝牙适配器）。工作时首先需为上位机配置蓝牙虚拟串口，继而与单片机建立连接，最终进行数据的透明传输，过程示意如图4所示。

STM32中的MAX 3232为电平转换芯片，作用是将TTL电平转换为RS 232电平，使得PC串口识别传入信号，进行透明传输[9]。蓝牙通信速度可达2 Mb/s，但需注意，由于蓝牙模块与单片机采用串口通信，所以实际的传输速度受该串口波特率限制，为计算机编程方便，设为115 200 b/s，按4通道、5位精度计算采样速度，最高可达720 S/s，该速度可完全满足机床电流信号的测量。

2 系统软件设计

系统的编程任务主要是电流值的计算以及数字信号的传输。电流信号经传感器转换以及电阻分流后成为0～3.3 V的电压信号，再经过ADC成为ADC数字量，电流值的计算公式可按下式处理（50 A量程）：

[电流（A）=ADC数字量×503.3]

数据传输需要以下步骤：首先进行系统初始化，包括STM32串口及蓝牙模块，继而判断系统是否已开始采集，由于系统为实时采集，所以采集和传输任务是同时进行的。数据传输开始的标识是两端建立串口连接，链路确定后便可进行实际的数据收发，断开连接相当于停止采集。以上步骤如图5所示。

注意，传感器采集电流时是多路同时进行的，单片机的ADC过程与之相同，由于无法改变传感器的采样频率，所以ADC的频率实际代表了系统采样频率。ADC的转换时间与时钟和采样周期相关，试验中的转换时间可以用下式表示：

[Tconv（μs）=采样周期+12.5时钟频率（MHz）]

编程时让单片机始终按预设较高频率进行ADC，系统暂定的转换时间为7.56 μs，运行时始终保持不变。若采集过程中需要改变采样速度，可以通过改变数据传输速度的方式来实现。

另一个问题是虽然STM32同时获得了4通道数字信号，但实际上单片机中与MAX 3232电平转换芯片连接的串口只有一个，也就是说只有一个通道可以进行数据传输任务。为保证采集的正确性，在一个循环内首先按顺序将同次ADC获取的数字信号存为一个字符串，将该字符串发送给上位机，接收端则根据每路数字信号的预设长度对字符串进行解码，从而实现发送、接收的配对，该方法也在一定程度上实现了数据加密。

3 运行测试

设计完成后，对整套系统进行测试。首先检测硬件，用万用表测量标准电流下传感器的输出电压，利用RS 232在PC上对单片机的ADC功能进行验证。经测试，传感器和STM32 ADC均可正常使用。第二步检测传输模块是否工作正常，由于手机的蓝牙功能大都稳定可靠，所以使用手机测试系统的传输模块[10]。硬件连接后，下载软件使系统发送数字字符串，手机连接至单片机接收数据，结果表明蓝牙模块通信正常。最后进行电流采集试验，上位机选用带蓝牙的笔记本电脑，4通道采集，接收界面如图6所示。经多次试验，电流测量值幅值稳定，表明系统软硬件工作正常，可顺利完成预设任务。

4 结 语

本课题基于蓝牙技术对数控机床电流信号进行无线采集，是近距离无线通信技术在数采领域中的典型应用。目前系统已能够实现多路电流信号的实时采集传输，但尚未在车间环境中进行试验，对于蓝牙模块在强电环境的抗干扰能力有待研究。本设计可以方便的通过PC监测机床运行过程中的电流信号，进一步可以考虑建立车间采集局域网，实现多机床联合数据监测分析等功能，这将在极大程度上节约成本、简化操作。采集系统经过多次试验验证，设计较为可靠、软硬件工作正常，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] ALTINTAS Y.数控技术与制造自动化[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化：建模、算法与工程应用[M].北京：航空工业出版社，2011.

[3] 张琛.基于主轴电机电流的铣削力监控方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[4] 刘志兵，杨晓红.自适应控制技术在CNC机床上的应用[J].制造技术与机床，2005（10）：107?109.

[5] 张虹，徐兴.基于ARM和蓝牙的无线信号采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2008，31（9）：24?28.

[6] 涂淞，岳云天，郁滨.基于BlueCore蓝牙芯片的USB和UART接口设计与实现[J].电子技术，2003（7）：36?39.

[7] 李泽勇，王文生.闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用[J].电子技术应用，2004（5）：20?22.

[8] 李建明，邱东利.基于BT1800?1远距离蓝牙模块的数据传输系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：26?27.

[9] 廖义奎.Cortex?M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[10] 盛佳乐.基于ARM的蓝牙数据通信系统[D].北京：北京交通大学，2008.