无线传输的板形仪压力测量系统设计*

周校晨,陈圣俭,魏子杰

(装甲兵工程学院控制工程系,北京100072)

无线传输的板形仪压力测量系统设计*

周校晨,陈圣俭,魏子杰

(装甲兵工程学院控制工程系,北京100072)

板形仪测量辊有多个测量区,每个测量区等角度嵌有多个传感器用于测量带材的受压状况。采用接触式连接的板形仪无法避免摩擦和磨损造成的波动和干扰,出产的带材质量低、品质差。基于无线传输的板形仪采用无线模块,可以有效地解决摩擦磨损问题。这套适用于板形仪的信号处理系统前端由调理电路实现整流、滤波、解调和放大,再通过多个单片机主从式并行工作实现信号的传输和处理。上位机负责信号的最终处理,实现板形仪工作时的可视化监视。经实验验证,本系统能够实现信号的无线传输和处理,出产的带材品质也有一定程度的提高。

无线传输;压力测量系统;MCU

引 言

传统的板形仪[1]普遍采用接触式连接,传轧辊感器连接滑环轴上的导电中圈;板形仪工作时传感器产生的电流经导电中圈和柔性炭棒传送到定子中的处理电路中,进行下一步的信号处理。传感器受压产生的电信号极为微弱,其在传输过程中对外部条件的要求极高,必须保证导电中圈和炭刷的洁净、干燥和绝缘。但在工业轧制中,往往外部环境较为恶劣,加之轧辊自身在旋转中存在振动,炭刷与导电中圈之间的摩擦生热、摩擦磨损等因素会严重地影响板形仪板形控制的精度和稳定性,影响生产带材的品质。故本文设计了一套基于无线传输的板形仪压力测量系统,以改进传统板形仪有线连接的不足。压力测量系统如图1所示。

图1 压力测量系统

整个无线信号处理系统按安装位置的不同可分为转子和定子两部分。转子包含压力测量模块、调理模块、多单片机系统和无线发射模块。转子固定在测量辊上,随着辊体转动。定子由无线接收模块和上位机组成,安置在轧机外部。

1 压力测量模块

压力测量模块以压磁式传感器[2]为核心部件。整个辊体等分为多个测量区,每个环型测量区间隔90°镶嵌一个压力传感器。压磁式传感器又称为磁弹性力传感器,其工作原理是根据磁致弹性效应,即磁钢的磁致特性,根据所受外力大小变化而变换。当工作时,压磁式传感器受外力作用,根据受力大小产生相应的磁力变化,并将其转化成电信号输出。压磁式传感器结构简单、抗干扰能力强、制造方便,能进行大功率输出,满足板型测量的需求。

2 信号调理模块

在板形仪系统中,压磁式传感器在受压时输出为毫伏级的微弱交流信号,且其幅值的变化规律和其所受压力的变化相对应,所以需要信号调理模块对此信号进行解调,而后才能进行相应的处理。信号调理模块需要实现的功能有:①将传感器真实的受力情况还原;②调零(由于在安装传感器时,需要预压力固定,这将导致系统的零点平移到一个非零的位置,因此需要将系统的零点与测量的标准零点校准);③其他基本功能。

2.1 解调放大电路

调制需要合适的载波信号和激励源,在解调阶段,需要同步参考信号作为标准参照。综合考虑各方面因素选择正弦波信号进行激励、载波和参考。本文设计了一套正弦波发生器[3],其核心为单片集成电路ICL8038波形发生器,由它再配合外围元件构成幅值可调、输出频率可调的发生器。由于该波形发生器产生的信号强度较弱,带载驱动能力不强,故需要信号放大电路协作,使其带载驱动能力达到实验需要的范畴。放大电路以功率放大器TDA7294连接外围元件实现。

信号调理部分[4]以平衡调制解调芯片AD630为核心。由于传感器给出的信号过于微弱,在给到AD630之前有必要对其做相应的放大处理,使信号具有足够的芯片驱动能力。本实验采用锁相放大处理来实现信号的放大操作。这样,在获得传感器受压信息的同时,能够最大限度地消除噪声干扰,使信号更加准确。

2.2 基准校准电路

在部件中安装的压磁式传感器受到的预压力是不变的,因此设计的基准校准电路针对的校准对象同样是一个固定大小的直流信号。在此校准电路的设计中,以运算放大器搭建的加减法电路对信号的基准进行校准,具体电路图如图2所示。

由图2可知,补偿电压UB的范围选择为-5 V≤UB≤5 V即可,通过调节电位器滑动触点的位置进行补偿电压大小的调节,可使压磁式传感器只受预压力时UO=0 V。

图2 基准校准电路

3 多单片机系统

多单片机协同工作[5]主要采用RAM共享法和总线共享法来实现并行通信。前者是设置一个RAM区供各单片机共同享用,每个单片机都有权利对其中的数据进行操作和处理,且每个单片机相互之间独立,不互相影响,适合快速处理较大数据量的任务;后者,各单片机共享一条总线,但同时至多只有一台单片机有权占用总线,这种方式适合处理一次性大量数据的传输问题。此外,主从式并行通信的方法也被广泛使用。所谓主从式并行工作,就是多个单片机中,有一个或多个单片机作为主单片机,权力级别高于其他单片机,负责协调其他单片机正常有序运转。

在该信号处理系统中,多单片系统不仅要处理多个信号数据,还要有选择地传输数据给上位机(因为所设计的信号处理系统可以依照用户要求选择性地显示重点通道数据,而重点通道由用户随机选定)。这就要求设计的多单片机系统有一定的控制能力,故采用主从并行方式通信:选定一个主单片机,该单片机负责协调其他从单片机工作,并依照上位机要求,选择性地访问某个从单片机,从单片机处理和传输数据。

选用MPC56F8013数字信号处理器,其是基于56800E核的16位高速数字信号处理器系列中的一员,运算速度快、控制功能强、价格便宜,广泛应用于仪器仪表、家电、医疗机械等领域。MPC56F8013数字信号处理器包括16 KB的程序Flash和4 KB的统一数据/程序RAM,具有完整的可编程外设——PWM、ADCs、SCI、SPI、I2C、4通道定时器,可以支持各种各样的应用。选用ADCs功能,直接可以实现数据的模数转换。此外,主从单片机的连接采用I2C总线连接,各从单片机之间可独立工作。

3.1 从单片机的功能

从单片机群组主要负责信号的采样,并对采样的信号实现模拟信号到数字信号的转换。在A/D转换实现之后,还需对数据进行处理,取出一组数据中的最大值、最小值和均值,并将数据送到缓冲区等待主单片机的读取。

从流程上讲,以一个从单片机为例,从单片机提取前端线路提供的模拟信号,并通过自身携带的ADCs功能,将信号转化为系统所需的数字信号;信号转换完成之后,由该单片机处理,取出这些信号的最大值、最小值和均值;而后将处理完的信号按照I2C协议发送到数据缓冲区以等待主单片机的访问。

3.2 主单片机的功能

主单片机主要负责协调从单片机的有序工作。此外,主单片机还负责激活无线模块向上位机发送数据。为了达到板形控制的目的,所设计的主单片机既可以显示所有通道的数据,又可以按照用户要求,显示重点通道的数据。这就要求主单片机在读取数据时有两种工作模式:模式一,主单片机读取从单片机所有通道数据;模式二,主单片机读取重点通道数据,主单片机的工作模式是由上位机软件控制选取。

主单片机工作流程:首先,在初始化完毕之后,主单片机要读取目前上位机给出的工作模式设定。若是在正常的工作模式下,主单片机会无选择地读取所有缓冲区的数据,并将数据传输给上位机;但如果处于检修的工作模式,主单片机会优先读取上位机设定的重点通道数据,其次再读取其他通道数据,接着依次将数据传输给上位机。与从单片机一样,主单片机的工作与否也完全由上位机决定。

4 无线传输和上位机模块

本系统采用XL02-232AP1无线模块实现信号的无线收发功能。该模块最大传输距离约300 m,可以完全满足系统的工业应用要求,工作频率、串口速率和频率均可自行配置,参数设计方便快捷,并且支持UART协议、体积小、适用面广。本系统选择该模块的原因主要有两点: XL02-232AP1模块与单片机相连时,只要是TTL电平,就可直接连接,这可以在单片机系统和无线模块的协调配合上省去很多的工作量;该模块的工作频率、串口速率和频率均可自行配置。采用本模块后,无疑可增强整个信号处理系统的适用性。

上位机[6]软件能通过以下途径控制系统:①系统初始化;②工作模式选择;③重点监视通道[7]的选定;④系统是否工作。上位机软件功能流程图如图3所示。

5 实验验证

依据设计方案,结合前端完成的信号调理电路,实验用板型辊中安装压磁式测压头传感器,按图4所示搭建实物实验系统,用以进行系统的标定和实验。

图3 上位机软件功能流程图

图4 实物搭建

在试验系统的砝码拉杆上依次加载砝码,添加/取下砝码的顺序为10.05 kg-10.05 kg-10.05 kg-5 kg-10.05 kg-10.05 kg-10.05 kg的顺序,添加/取下砝码后待系统读数稳定下来再读取每次上位机系统中显示的数值并记录。对系统进行功能验证实验所得到的实验数据如表1所列。

表1 添加/取下不同重量砝码时的读数数据

由表1可以得出,系统具有较高的精度,能够满足高精度板型检测的需求。

[1]徐利璞,尤磊,王大号.ABB板形仪在冷轧带钢生产中的应用[J].中国冶金,2014,24(11):23-26.

[2]ABB官网.ABB板型仪安装、结构、原理,2011.

[3]温熙森,易晓山,徐永成,等.智能机内测试理论与应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

[4]王志颖.复杂装备智能机内测试技术研究[D].成都:电子科技大学,2010.

[5]王新辉,王梓全,刘辉,等.多单片机协同工作方法研究及应用[J].长沙大学学报.2012.26(2):26-28.

[6]吕振辽,罗浩,潘文才.冷连轧机轧制过程数据采集系统[J].自动化仪表,2013,24(1):39-41.

[7]张清东,陈先霖,何安瑞,等.冷轧宽带钢板形检测与自动控制[J].钢铁,1999,1(10):69-72.

周校晨(硕士)、魏子杰(博士):主要从事检测技术与自动化装置的研究;陈圣俭(教授),主要从事可检测性设计技术、故障诊断等研究。

(责任编辑:杨迪娜 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

国家级-国家自然科学基金(61179001)。