升降機試驗臺無線測控系統(tǒng)的實現(xiàn)

李 鵬,戴亞文,李小強

(武漢理工大學理學院,湖北武漢430070)

0 引言

研制導(dǎo)軌式殘障人運送升降機(以下簡稱“升降機”)綜合性能試驗臺是國家科技部支撐計劃“室內(nèi)移動輔具關(guān)鍵技術(shù)與目標產(chǎn)品研發(fā)”課題中的一項任務(wù),其目的是為軌道式殘障人運送升降機的研制、檢測和驗收創(chuàng)造條件。

目前測試平臺所采用的數(shù)據(jù)傳輸方案大致可分為有線傳輸和無線傳輸2種。有線傳輸?shù)姆桨赣捎趯?dǎo)線容易磨損和布線難等問題并不適用于疲勞性測試項目,而現(xiàn)有的無線技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿足系統(tǒng)的傳輸速度需要。因此,系統(tǒng)選用無線傳輸?shù)姆桨覆⑨槍o線方案所主要面臨的數(shù)據(jù)通信沖突、系統(tǒng)的魯棒性與數(shù)據(jù)的可靠性等問題提出了解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個系統(tǒng)分為硬件設(shè)備和軟件協(xié)議2個部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)備由主要分為測試平臺終端設(shè)備和無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備2個大模塊。測試平臺終端設(shè)備主要由電源管理模塊、傳感器模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。設(shè)計中選用拉線位移傳感器測量被測設(shè)備的位置狀態(tài)與速度、加速度信息,選用拉力傳感器測量被測設(shè)備的載荷狀態(tài),藉此以得到被測設(shè)備在不同條件下的特性,為產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐久性生產(chǎn)設(shè)計提供指導(dǎo)。無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備負責網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)和控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)與處理,實現(xiàn)測試平臺的終端設(shè)備與測試終端PC機或筆記本電腦的通信。它主要由數(shù)據(jù)處理模塊和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊組成。

軟件協(xié)議部分包括上位機軟件和通信協(xié)議。上位機軟件由NI公司的LabVIEW軟件編寫[1],為用戶提供完善的人機交互功能,通過上位機軟件來控制硬件的運行,同時,硬件運行所采集到的數(shù)據(jù)通過上位機處理、顯示和保存,存儲的數(shù)據(jù)通過ASP調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫能夠隨時隨地通過網(wǎng)站了解設(shè)備的測試情況。根據(jù)測試的具體要求,通信協(xié)議在基于802.15.4協(xié)議依照系統(tǒng)的需求進行了優(yōu)化[2],提出了適用于測試平臺的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和數(shù)字濾波算法,保障了測試平臺工作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件組成

設(shè)計采用無線的方式進行數(shù)據(jù)通信,需要數(shù)據(jù)處理與射頻收發(fā)設(shè)備。結(jié)合市場現(xiàn)在的通信方式與系統(tǒng)設(shè)計的特點,選擇TI公司的CC2430處理器作為測試平臺終端設(shè)備和無線網(wǎng)關(guān)的核心器件。該芯片支持IEEE802.15.4通信標準,在芯片內(nèi)部集成了8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和射頻收發(fā)器,具有大量的I/O接口,有利于系統(tǒng)的擴展[3]。

系統(tǒng)選用MIRAN公司MPS-M-2000-V2拉線位移傳感器和蚌埠天光測控儀表廠的TJL-1型拉力傳感器。MPS-M-2000-V2拉線位移傳感器有效量程可達2 000 mm,線性精度為0.3%FS,牽引力最大可達2.5 kg。TJL-1型拉力傳感器額定載荷為150 kg,靈敏度為2.0 mV/V。2款高精度的傳感器完全可以準確地反應(yīng)升降機的運行狀態(tài)。同時,CC2430內(nèi)置的高精度定時器能精確地控制AD轉(zhuǎn)換的速率。由于升降機在實際運行中不可能有很大的速度和加速度,因此,根據(jù)位移計算公式:S=v*t+*a*t2,可以通過拉線位移傳感器和CC2430處理器得到在時間t時的位移量S,然后通過位移計算公式得出升降機的運行速度和加速度。這樣可以避免額外增加一個加速度傳感器,節(jié)約設(shè)計成本。

系統(tǒng)的設(shè)計采用蓄電池進行供電。在硬件設(shè)計中,拉線位移傳感器用12 V電源供電,拉力傳感器和主處理器CC2430采用3.3 V電源供電。標準的蓄電池有12 V和24 V的,但其在使用過程中,輸出電壓有較大的波動,直接使用12 V的蓄電池給拉線位移傳感器供電會影響傳感器的精度。因此,采用24 V蓄電池作為系統(tǒng)電源,選用LM2576電源芯片,輸出12 V和3.3 V給系統(tǒng)供電。

從電機控制電路過來的信號接口,其高電平達5 V,而CC2430處理器的控制信號高電平為3.3 V。這種電平不兼容性在直接連接時,不能實現(xiàn)控制功能,而且有可能損壞器件。因此,應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器件TLP281設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)信號電平的兼容。

3 系統(tǒng)上位機軟件

系統(tǒng)所述的上位機軟件是利用NI公司的LabVIEW環(huán)境編寫,界面友好,方便人機交互。軟件的主要功能是實時接收由串口傳遞的測試數(shù)據(jù)并加以分包、計算、處理、顯示及保存。用戶通過上位機軟件能夠便捷地了解到測試過程的具體情況并能對測試進行具體的操作。

3.1 軟硬件握手

為了提高系統(tǒng)的魯棒性,避免PC機異常卡死對硬件產(chǎn)生的影響,上位機軟件每隔5 s通過數(shù)據(jù)接收終端向數(shù)據(jù)發(fā)送終端發(fā)送握手命令。握手的應(yīng)用能夠防止當PC機斷電或windows意外死機時候升降機仍然繼續(xù)按照預(yù)定的測試次數(shù)繼續(xù)測試。

3.2 數(shù)據(jù)庫保存以及遠程訪問

利用工具包LabVIEW SQL Toolkit的實現(xiàn)SQL數(shù)據(jù)庫的保存,將經(jīng)過上位機前端處理后的數(shù)據(jù)按照預(yù)定的格式循環(huán)寫入SQL SERVERS數(shù)據(jù)庫中[4]。同時,在上位機中加入異常處理,在系統(tǒng)出現(xiàn)斷電或者其他異常狀況導(dǎo)致系統(tǒng)終止時,在下次開啟的時候自動讀取數(shù)據(jù)庫中的最新記錄以提醒用戶已經(jīng)測試的周期數(shù)以及測試的時間,方便用戶繼續(xù)測試。

在SQLSERVERS服務(wù)器端使用ASP調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫,將最終結(jié)果發(fā)布到萬維網(wǎng)[5],使得用戶在任何時候任何地點都能夠及時了解到測試的具體情況,真正實現(xiàn)了不受距離影響的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)協(xié)議

協(xié)議是測試臺系統(tǒng)的核心部分,不僅起著保證測試臺工作穩(wěn)定性和所需測試數(shù)據(jù)的可靠性作用,還為上位機監(jiān)控系統(tǒng)提供在穩(wěn)定性上的先決支撐。由于測試臺需要對升降機的測試狀態(tài)進行實時地檢測,在無線通信上的數(shù)據(jù)交互要求具有穩(wěn)定性,避免數(shù)據(jù)沖突,在數(shù)據(jù)處理上要求可靠性,需要進行數(shù)字濾波,為此在通信協(xié)議上提出一種集權(quán)輪詢法和自適應(yīng)變頻濾波法,保障了測試臺工作的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。

4.1 集權(quán)輪詢法

通常所采用的IEEE802.15.4協(xié)議標準的媒體訪問控制(MAC)層的載波偵聽競爭訪問通信機制(CSMA-CA)并不適用于升降機測試臺的應(yīng)用,當測試平臺終端設(shè)備和無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備在測試臺監(jiān)測升降機數(shù)據(jù)過程中同時有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,便會產(chǎn)生通信沖突從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。為此提出了一種集權(quán)輪詢法作為測試臺通信協(xié)議MAC層的優(yōu)化,集權(quán)輪詢法示意圖如圖2所示。

圖2 集權(quán)輪詢法示意圖

集權(quán)輪詢法是指在無線通信節(jié)點中,將其中一個節(jié)點作為集權(quán)節(jié)點,將其他節(jié)點作為被輪詢節(jié)點,所有的數(shù)據(jù)通信都以集權(quán)節(jié)點為發(fā)起方,以被輪詢節(jié)點為接收方,被輪詢節(jié)點的數(shù)據(jù)包都規(guī)定在收到集權(quán)命令后才被允許發(fā)出,其數(shù)據(jù)包的發(fā)送在一個輪詢時隙內(nèi)完成,所有被輪詢節(jié)點的輪詢時隙組成一個輪詢周期。

在測試臺的通信中,無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備為集權(quán)節(jié)點,測試平臺終端設(shè)備為被輪詢節(jié)點,在測試臺對升降機的實時監(jiān)測過程中,集權(quán)節(jié)點會周期性地發(fā)送輪詢命令至被輪詢節(jié)點,升降機的位移、載荷和電量等數(shù)據(jù)都會在被輪詢節(jié)點中處理并打包,當每次收到輪詢命令后,便在輪詢時隙內(nèi)發(fā)送給集權(quán)節(jié)點。這種集權(quán)輪詢法在一定程度上既保證了測試人員對測試臺控制的實時性,又保證了測試臺對升降機監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,避免了二者在數(shù)據(jù)收與發(fā)上的通信沖突,解決了實時監(jiān)測過程中的丟包問題。測試人員對測試臺的控制命令和無線網(wǎng)關(guān)對測試平臺終端設(shè)備的管理命令都是嵌入在輪詢命令中發(fā)出的,被輪詢節(jié)點收到輪詢命令后做出相關(guān)反應(yīng)并上傳發(fā)送數(shù)據(jù)。一個輪詢時隙大約在30 ms左右,控制命令的下達和監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新都會在輪詢時隙內(nèi)完成,很好地滿足了測試平臺實時監(jiān)控的要求。

4.2 自適應(yīng)變頻濾波法

傳感器對升降機狀態(tài)的監(jiān)測s都是模擬信號輸出,難免會受到各種因素的干擾,在對信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換后還需要對所得到的數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波處理,這個處理的過程屬于通信協(xié)議應(yīng)用層的任務(wù)。

4.2.1 濾波算法的提出

在被監(jiān)測的數(shù)據(jù)中,升降機的位移量數(shù)據(jù)是可靠性要求最高的一個,它直接影響后期升降機運行速度和加速度等參數(shù)的計算和對升降機運行狀態(tài)的識別。而位移量是一個動態(tài)變化的數(shù)據(jù),干擾噪聲也會淹沒在其中隨之動態(tài)變化,傳統(tǒng)的數(shù)字濾波法如遞推中值濾波法和限幅平均濾波法等[6],都無法很好地起到濾波效果,因此提出了一種自適應(yīng)變頻濾波法來處理位移量數(shù)據(jù)。

升降機位移量的變化可分為2種階段:①升降機的運動狀態(tài)在上升和下降之間發(fā)生改變時,此時升降機由減速運動轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀龠\動,位移量呈正弦信號狀態(tài)變化;②升降機處在上升或者下降狀態(tài)過程中時,此時升降機近乎勻速運動,位移量呈一階信號狀態(tài)變化。2種階段交替進行,位移量的變化幅度成周期性改變。假設(shè)對位移量的數(shù)據(jù)采集頻率為f,單位時間內(nèi)所采集的位移量為Sn(n=1,2…f),位移量的變化幅度為An(n=1,2…f),當單位時間內(nèi)的An趨近相等時,則認定Sn處于一階信號狀態(tài)變化,此時將采集頻率設(shè)為f1,而當An出現(xiàn)類似一階信號狀態(tài)變化時,則認定Sn處于處于正弦信號狀態(tài)變化,此時將采集頻率設(shè)為f2。把數(shù)據(jù)采集頻率f隨位移量變化幅度An變化而自適應(yīng)變化的濾波方法稱為自適應(yīng)變頻濾波法。

4.2.2 濾波算法

根據(jù)測試臺運行環(huán)境的相關(guān)參數(shù),將干擾噪聲系數(shù)設(shè)為k,由上述所提出的自適應(yīng)變頻濾波算法,將Sn(n=1,2…f)由小到大進行排列得到Sn′(n=1,2…f),將最大和最小k個數(shù)據(jù)視為噪聲干擾數(shù)據(jù)去掉,最后可得到濾波后的位移量ˉS。

假定輪詢時隙為t,則t時間內(nèi)的樣本個數(shù)n為:

排列后的位移量樣本為:

則將位移量樣本濾波后的位移量為:

而根據(jù)升降機的運動速度水平,要得到更加平滑而有效的數(shù)據(jù),f1應(yīng)大于1 000,而f2則應(yīng)該是f1的3倍。

位移量在用自適應(yīng)變頻濾波法濾波前和濾波后的實測數(shù)據(jù)對比示意圖如圖3所示。

圖3 濾波前后比較

如圖3可知,經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)更加趨于平滑,與實際計算結(jié)果基本相符(誤差＜1%),滿足升降機綜合性能測試的要求。

4.3 測試結(jié)果

為了進一步測試系統(tǒng)的性能,在不同環(huán)境、不同距離進行了連續(xù)40 000個升降機來回周期的測試。結(jié)果顯示整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定,魯棒性良好。同時,對40 000個周期的全部800余萬組數(shù)據(jù)進行多階段抽樣法進行抽樣,誤差均在許可范圍內(nèi),抽樣結(jié)果完全滿足測試需要。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

基于上述理論所設(shè)計的導(dǎo)軌式殘疾人升降機綜合測試臺安裝方便、體積小、功耗低、傳輸穩(wěn)定、采樣精確、可靠性高,完全能夠滿足實際應(yīng)用的需要。同時,該方案采用無線通信技術(shù),極大提高了監(jiān)測范圍,可廣泛應(yīng)用于其他測試領(lǐng)域。

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