wMPS测量系统中的新型电源控制箱设计

韩延东，任永杰，杨学友

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

wMPS测量系统中的新型电源控制箱设计

韩延东，任永杰，杨学友

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

设计了为室内空间测量定位系统(wMPS)供电的新型电源控制箱。该电源控制箱从机械结构上进行了优化，能够实现工业现场的快速布站，同时引入无线控制功能，完善了通讯协议，可以及时准确监控测量系统的运行状态。实验结果表明，该设计大大提高了测量系统的便携灵活性，并可通过无线功能配套相关协议，实时监控测量系统状态，为测量系统的可靠运行提供必要的技术保障。

电源控制箱；通讯协议；无线控制；wMPS；状态监测

基于角度交会的网络布站式测量系统(wMPS)已广泛应用在多种工业测量领域，系统内可靠稳定的供电装置是准确测量的基础。电源箱需要持续稳定的对wMPS系统内的测量发射站进行供电，测量发射站才能发射出扫描光，构建扫描区域，获得待测点信息。wMPS测量系统现场布局如图1所示。

图1 wMPS测量系统现场布局图

由图1可知，每台发射站均配备一个电源箱，箱体内部安放有电源转换模块，将220 V交流电转换成24 V直流电给发射站供电。原有电源箱箱体笨重，且需要较长外部接线才能保证发射站安放在三脚架上，在工业现场很容易被工人误碰或碾压，而且该测量系统为多站式的网络测量系统，原有电源箱功能单一，制约了测量系统效能的发挥，因而有必要重新设计电源控制箱，以下简称“电控箱”。本文设计的电控箱在箱体机械结构上进行了改良，极大减小体积，同时使电控箱可以安放在三脚架上，同时顶部牢固承载发射站，实现供电测量一体化。箱体内安放了具备无线功能的控制单元，并对通讯协议进行了优化，可以安全有效地承担部分测量与监测工作。新旧电源箱对比图如图2所示。

图2 新旧电源箱对比

1 硬件设计

1.1 整体结构设计

电控箱内部加入的控制板是整个新型供电装置的关键。每台测量发射站均配备一个电控箱，两者之间通过短线缆连接，线缆内部包含供电线缆和RS485通讯线缆，选用RS485线缆是因为其抗干扰能力强、传输速率高。控制板选用ARM7芯片LPC2103作为CPU，UART作为通讯接口，同时加入串口无线模块USR-WIFI232-B，并编写相关通讯协议，实现发射基站单元的远程控制和组网。箱体内部控制板功能布局图及实物图如图3所示。

图3 电路板布局图及实物图

1.2 电子开关设计

测量系统测量过程中，测量发射站会重复“启动-运行-停止”的过程。新型电控箱在控制板上引入MOS电子开关[1]。本文设计时选用的是IRF9393TRPbF，导通电压要求小于－2.4 V，－与导通电阻关系如图4所示。

图4 －与关系图

控制板CPU配合PMST3904三极管，通过电阻分压，使三极管处于饱和区，放大倍数为10，传输控制信号令－在6～8 V之间，由图4可知，在10～20 mΩ。根据，电子开关工作时消耗功率为=0.4 A×0.4 A×20 mΩ= 3.2 mW，即可以在不影响系统整体功率的同时准确实现供电的开断，相比原有电源箱的硬性开断电方式，对提高发射站的使用寿命、优化测量系统有显著效果。启动和停止流程图分别如图5和图6所示。

图5 开机流程图

图6 关机流程图

2 软件设计

2.1 无线组网配置

带有无线功能的电控箱能够协助构建网络式测量布局[2]，现场测量布局如图7所示。利用电控箱的无线功能将控制板配置成一个无线工作站(STA)进行组网，即选取无线模块为无线网络终端。模块支持在联网过程中绑定目的网络的BSSID功能。根据802.11协议规定，不同的无线网络可以有相同的网络名称，但是必须对应唯一的BSSID地址(即MAC地址)。通过BSSID地址绑定，可以防止STA接入到非法网络上，提高了无线网络通讯的安全性。

图7 无线测量网络布局图

测量现场实际操控时，测量人员在PC机通讯软件中将PC机设置为TCP Client，以当前计算机IP(不同电脑会有不同IP)10.10.100.101，对应服务器IP10.10.100.254，WIFI连接成功后，PC机对端口号“8899”服务器端口进行监听，达到无线通讯效果。每台PC机会有固定唯一IP，保证了无线通讯的可靠性和安全性。

2.2 通信协议校验优化设计

在工业现场内进行测量，测量网络内设备之间的通讯需要通讯协议，以使测量发射站与电控箱之间可以安全地进行“交流”。通讯协议保证了读取的测量发射站速度、内参量等数据的准确性，并为控制指令的传输提供保护。为了提高通讯过程的抗干扰性，在通讯协议中加入了CRC校验[3]，并对校验过程进行了改进优化。

CRC全名为循环冗余校验，一般用在通信领域来实现差错控制，本文采用CRC16-CCITT校验方式。若数据信息长度为位，校验字段为位，则发送端发送数据代码总长为位。在接收端，根据信息码和CRC码之间遵循的规则进行检验来确保传送正常，这个规则即为“生成多项式”。CRC16-CCITT的生成多项式为：

本通讯协议中为了保证测量数据回传的及时性，对普通的CRC校验进行了改进。根据XOR除法的交换律，有：

图8 带有CRC校验的指令结构图

其中“OpCode”为协议双方协定好的帧头命令，“len-1”中“Len”为发送数据的字节长度，“DATA”为需要发送的数据，“CRC”为根据生成多项式计算出的校验码。电控箱与发射站之间的校验通讯应答流程图如图9所示。

图9 电控箱与发射站通讯应答流程图

本通讯协议指令中指出了消息长度，没有采用结束标志的方式，目的在于防止产生以下几种差错：消息之前额外增加1个或多个0；消息以1个或多个连续0字节开始，丢掉1个或多个0；消息之后额外增加1个或多个0；消息以1个或多个连续的0字节结尾，丢掉1个或多个0。以上差错在不指定通讯指令长度时会高频率产生，并且很难检测排除，主要原因在于寄存器值为0时，处理0消息字节，寄存器值不变。

为了解决以上问题，本文对CRC16-CCITT校验程序进行了优化。针对前两个问题，在程序中进行如下修改(下划线部分为修改处)：

通过对crc-reg进行右移8位的操作，以及与0xff相“与”，保证了寄存器初值非0，解决了情况前两种差错。

针对后两个问题，在 CRC16-CCITT标准中，令reg-init=0xffff，然后与计算出的校验码进行“亦或”运算，可以解决后两种差错，方案如下：

2.3 测量系统状态监测与响应

通讯过程有通讯协议及CRC校验，保证了数据的准确性，因此电控箱内CPU芯片接收到反馈数据后，根据初始设计程序进行解算，然后传输到上位机窗口，即可将测量发射站状态数据实时显示出来，解算流程如图10所示。

图10 速度数据解算流程图

在通讯过程中需要注意规划一次完整通讯的时间[4]，否则在传输数据时容易造成堵塞。本系统波特率设定为9 600 b/s，一字节传送耗时为10 b/9 600 b/s=1.04 ms，每次电控箱向发射站发送指令耗时为1.04 ms×10=10.4 ms，发射站反馈信息传输时间为1.04 ms×11=11.44 ms，考虑到CPU解算耗时少，所以单次发送指令进行测速耗时约为25 ms。发射站设定的响应超时时间为100 ms，远大于25 ms，确保了查询发射站状态信息的及时性和数据传送的流畅性。

3 实验结果

在上位机与电控箱内的无线模块成功进行WIFI组网连接[5]后，无线通讯控制主要实现三个功能：一是通过无线发送相应指令到电控箱，进而控制测量发射站达到上电自动启动和断电前自动关机；二是根据用户需求读取发射站ID及相应结构参量，在组网定向时提供配置依据；三是远程发送测速指令，监测或变更测量发射站旋转速度。

3.1 无线开关机与读取内参量实验

通过无线联网(由图11可知通过设置相关参数，已成功将控制电路板设置为STA并成功连接)后，电源控制箱远程先后发送：开机指令、监测发射站内参量指令、关机指令。数据反馈如图11，可知测量发射站先后反馈的“开机指令已发送”、8个内参量和“关机指令已发送”，与预期结果没有偏差，内参量验证无误。

图11 无线组网测量图

3.2 无线测速实验

实验时将测量发射站上电后加速度设置为10 r/s2，发射站目标速度为1 850 r/m。电控箱与测量发射站无线组网后，通过WIFI重复发送1 000次测速指令，读取的速度数据取其中990～1 130 r/m部分如图12所示。单次测量耗时为25 ms，重复发送指令间隔已设置为600 ms，即测量出一次速度数据时间约为25 ms+600 ms=625 ms。由990 r/m增加到1 130 r/m理论耗时约为(1 130 r/m－990 r/m)/10 r/s2=14 s。图12中数据量为22个，即测量耗时约为625 ms×22=13.75 s，与理论耗时基本一致，无数据丢包现象，且测量数据均单次单行显示，无数据堵塞或延迟发送现象，实验结果正常。

图12 无线组网测速图

4 结语

本文设计了一种带有无线功能的新型电源控制箱对wMPS测量系统中的发射站进行供电，并通过实验验证，在通讯协议的支持下，电源控制箱通过无线联网可以实现对测量发射站的远程控制和对测量发射站内参量的读取。新型电源控制箱改进的机械结构可靠稳定，配合完善的无线控制功能，目前已在沈阳飞机制造厂等大型工厂投入使用，效果良好，功能性和便携性均明显优于原有电源箱，对wMPS测量系统的优化有重要意义。

本文设计的电源控制箱在现场应用后，为了提高系统通信的实时性和可靠性，以后考虑在控制板内植入嵌入式操作系统，如μC/OS-II、FreeRTOS等，其提供的任务调度机制能够增强无线控制的协调性和及时性，并且便于裁剪和移植，能够令电源控制箱的功能得到进一步发挥。

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图10 市电太阳能联合供电

5 结论

本文利用单片机搭建了太阳能/市电联合供电的LED照明系统。以太阳能作为主要能源，市电作为补充能源，最大限度地利用可再生能源，根据双输入Buck工作原理制定合理的控制方案保证两路输入源协调工作，负载稳定工作，最后通过实验验证方案可行。

参考文献：

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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

国家“863”计划(2012AA041205)

韩延东(1989—)，男，河北省人，硕士，主要研究方向为wMPS测量系统的电源控制箱设计。