基于嵌入式Linux的模擬泄漏控制系統設計*

熊四昌，毛國賓，唐浩然

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

泄漏檢測也叫密封性檢測或試漏[1]。隨著工業與日用產品的復雜程度和對安全性要求的提高，氣體泄漏檢測技術在生產生活中起著重要作用[2]。在汽車、航空、燃氣具、石油、化工和物流運輸等行業，都需要對相關產品的密封元件進行氣密性檢測，從而衡量和保證產品的質量和安全性能[3-5]。為了滿足這些行業對氣泄漏檢測精度的更高要求，國內外機構相繼提出了一系列的檢測方法和開發了相應的檢測設備。氣體泄漏檢測方法包括靈敏度高的超聲波法、放射性同位素法、氦質譜檢測法[6]、能定量的差壓法和近期提出的容積補償法[7]。氣體泄漏檢測設備如：美國USON的4000系列測漏儀、德國JWFROEHLICH公司的MPS5系列試漏儀、天津長野福田公司設計的檢漏儀FL-800。對于這些基于不同檢測方法而研制的國內外氣體泄漏檢測設備，檢測精度一直是判斷它們優劣的重要依據之一。目前國外的氣體泄漏檢測設備較為先進，精確度可達0.01 ml/min，測量誤差在±2.5%左右；而國內的氣體泄漏檢測設備精確度也可達到0.01 ml/min，但誤差較國外設備較差，在±3%～±6%不等[8]。

對于氣體泄漏檢測設備的標定，目前多采用的是預混合標定氣體、滲透、交叉標定等方法。這些傳統的方法都存在著操作過程復雜、測量誤差大、對設備要求較高和便攜性差等缺點，嚴重限制了泄漏檢測設備的研制周期。

為解決上述問題，并考慮到目前氣體泄漏檢測設備的參數要求，本文將基于嵌入式Linux操作系統，設計一種工作壓力范圍為0～0.8MPa的輕量型高精度的模擬泄漏控制系統，為標定氣體泄漏檢測設備提供方便并且可靠的標定平臺。

1 模擬泄漏結構原理及其設計

1.1 模擬泄漏結構原理

模擬泄漏結構的主要功能是為了將步進電機的旋轉運動轉化為氣缸活塞的直線運動，其結構原理圖如圖1所示。

圖1 模擬泄漏結構原理圖

當步進電機轉動時，通過聯軸器帶動滾珠絲桿轉動，絲桿與滑塊將旋轉運動轉換為氣缸活塞的直線運動。若氣缸右端與被測容器連接，控制氣缸活塞向左做直線運動，被測容器內的氣體將會進入氣缸的右端容腔，形成被測容器向外漏氣的狀態，從而實現控制系統的模擬泄漏。為了實時獲取步進電機的精確轉速，本研究在步進電機一端連接了增量式光電編碼器進行測量，并使用位移傳感器來檢測氣缸的位移量，對模擬泄漏量進行監控。

該系統中的模擬泄漏量計算公式為：

(1)

式中：ΔV—模擬泄漏量，ml；d—氣缸直徑，mm；s—氣缸位移，mm。

氣缸位移s為：

s=n×h×Δt

(2)

式中：n—步進電機轉速，r/min；h—滾珠絲桿的螺距，mm；Δt—檢測時間，min。

步進電機轉速n為：

(3)

式中：f—脈沖頻率，Hz；χ—步進電機驅動細分數；α—步距角，(°)。

聯立(1，2)式，可求得模擬泄漏率Q：

(4)

式中：Q—模擬泄漏率，ml/min。

在式(4)中代入式(3)，可得模擬泄漏率Q為：

(5)

1.2 模擬泄漏結構設計

通過式(4)可知：模擬泄漏率只由電機的轉速決定，但在進行元器件選型時，需參考式(5)中與模擬泄漏率精度相關的參數，最后根據模擬泄漏的工作原理設計了模擬泄漏結構。

模擬泄漏結構實物圖如圖2所示。

圖2 模擬泄漏結構實物圖1-光電編碼器；2-步進電機；3-聯軸器；4-滾珠絲桿；5-直線導軌；6-氣缸；7-位移傳感器；8-步進電機驅動器；9-滑塊

由圖2可看出整個裝置結構緊湊、操作方便并極具便攜性。

該設計選用型號為35BYGH系列的混合式步進電機，步距角為1.8°。

步進電機配備型號為HB202M，細分數最高達10 000的步進電機驅動器。

氣缸選用SMC公司的MA16100型氣缸，內部泄漏不大于10-5atmcc/s。

編碼器采用型號為IHC3808系列的增量式光電編碼器，一圈脈沖數為500。

滾珠絲桿選用螺距為1 mm，行程為120 mm的日本THK公司LM系列引動器。

位移傳感器選用KTR系列自復位式位移傳器，量程為0～100 mm，線性度±0.05%，重復精度小于0.01 mm[9-10]。

2 控制系統硬件設計

2.1 總體設計

根據系統功能的需要，本研究設計了模擬泄漏控制系統的硬件外圍設備電路。它包括以S3C2440為中心的核心板模塊、電源模塊、人機交互模塊、數據采集模塊、執行元件模塊、數據交互模塊等。

模擬泄漏控制系統硬件框圖如圖3所示。

圖3 模擬泄漏控制系統硬件框圖

2.2 步進電機控制電路設計

為控制步進電機的轉速，本研究首先需配置S3C2440內置定時器實現單位時間內脈沖數的調節，再通過步進電機驅動器對電機速度與方向進行控制。本研究采用SN74LVC4245進行電平3.3 V到5 V轉換，同時采用ULN2003芯片提高S3C2440的GPIO引腳的電流輸出能力。

電路設計如圖4所示。

圖4 步進電機控制電路圖

2.3 光電編碼器的脈沖采集

型號IHC3808光電編碼器原理是旋轉一圈發出500個脈沖數，通常需要兩步才能實現對編碼器的計數。首先，對編碼器的正、反轉進行判斷；其次，進行加、減計數[11]。

控制器S3C2440通過外部中斷0對光電編碼發出的脈沖數進行計數。統計光電編碼器發出的脈沖數，便可以求出步進電機的實測轉速nx為：

(6)

式中：nx—實測轉速，r/min；A—單位時間內的脈沖數；τ—采集時間間隔，s；N—轉一周光電編碼器發出的脈沖數。

2.4 氣缸活塞位移數據采集電路設計

氣缸活塞位移采集主要由位移傳感器與16位模數轉換芯片ADS8344完成。ADS8344將位移傳感器采集的氣缸位移信號進行A/D轉換，并采用電壓基準芯片ADR445為ADS8344提供5 V的參考電壓。

電路設計如圖5所示。

圖5 位移數據采集電路圖

3 控制系統軟件設計

3.1 PWM脈沖寬度調制

系統采用的S3C2440的定時器0、1、2、3都具有脈寬調制功能[12]。

其PWM時鐘原理圖如圖6所示。

圖6 S3C2440 PWM時鐘原理圖

該設計選用定時器0的脈寬調制功能，通過調制TOUT0端口輸出的脈沖信號的周期和占空比以獲得所需的方波，精確控制步進電機的轉速。

TOUT0端口輸入脈沖是由時鐘PCLK先經過兩次分頻，再通過設置比較緩沖寄存器TCMPB0而得到[13]。TOUT0端口輸入脈沖頻率越高，TOUT0端口輸出脈沖與目標脈沖的誤差就越小。設計采用的S3C2440的時鐘配置PCLK為50 MHz，對寄存器的設置如下：

//設置預分頻值prescaler value=15

TCFG0&=～S3C2410_TCFG_PRESCALER0_MASK;

TCFG0|=(16-1);

//設置分頻值divider value=2

TCFG1 &=～S3C2410_TCFG1_MUX0_MASK;

TCFG1 |=S3C2410_TCFG1_MUX0_DIV2;

定時器0的時鐘輸入頻率Frequency=PCLK/(prescalervalue+1)/(divider value)=50 MHz/(15+1)/2=1 562 500 Hz，它的輸出頻率是要根據步進電機的轉速來設定的。若步進電機的轉速為n(r/min)，則所需脈沖信號的頻率freq=10 000n/60，10 000為步進電機驅動器的細分數。

//設置脈沖信號頻率為freq，占空比為50%

tcnt=Frequency/freq;

__raw_writel(tcnt, S3C2410_TCNTB(0));

__raw_writel(tcnt/2, S3C2410_TCMPB(0));

3.2 控制程序設計

模擬泄漏控制程序設計主要是在Linux及底層驅動的基礎上進行交互界面、數據采集處理程序、驅動程序、執行元件控制和數據存儲5個模塊的設計。

系統軟件的結構框圖如圖7所示。

圖7 系統軟件的結構框圖

控制程序的功能主要是通過人機交互界面設置和顯示模擬泄漏參數，控制執行元件，實時采集光電編碼器和位移傳感器的信號，并對其濾波之后計算相應實測模擬泄漏率，最后對相關數據進行存儲。

完整的模擬泄漏控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3.3 Qt人機交互界面設計

為了更好地對參數進行設置和顯示，方便操作，增加系統的人機交互性，筆者采用QtCreator設計了系統的交互界面。

系統交互界面圖如圖9所示。

圖9 系統交互界面圖

界面主要是由參數設定、控制和實測顯示3部分組成。參數設定是對步進電機轉速及相對應的模擬泄漏率的設定，針對設定電機速度，筆者設計了一個虛擬數字鍵盤；控制部分針對步進電機的旋轉方向、開始和停轉進行控制；實測顯示部分是針對步進電機可能出現的丟步現象而引入的光電編碼器的實測數據進行顯示，其數據為步進電機實測轉動速度以及模擬泄漏系統的實測模擬泄漏率。

4 實驗與結果分析

該系統是面向進行定量分析的微泄漏領域設計的，故本研究在模擬泄漏率為0.201 ml/min～12.063 ml/min區間進行實驗。在實際應用過程中，氣缸接被測容器的一端是承受著檢測壓力的，實驗時將氣缸一端接上0.8 MPa氣源。本研究設定系統數據采樣時間間隔為1 s，實時對光電編碼器和位移傳感器進行數據采樣以計算實測泄漏率。

實驗結果如表1所示。

表1 模擬泄漏實驗數據表

其中，Qx為4.023 ml/min實驗結果如圖10所示。

由圖中數據可知：實測模擬泄漏率Qx的最大波動誤差只有0.149%。

基于上述分析可知：光電編碼器實測泄漏率QX

圖10 Qx為4.023 ml/min實時檢測圖

誤差小、精度高并具有良好的穩定性，達到了系統對精度和穩定性的要求，可以作為系統的實際模擬泄漏。

5 結束語

根據模擬泄漏原理，基于嵌入式Linux系統，本文設計了一種能精確穩定控制模擬泄漏的控制系統，內容主要包括對模擬泄漏結構設計，控制步進電機轉速的PWM脈寬調制，系統硬件電路設計，系統控制程序和人機交互界面的設計；最后進行了實驗，經過對系統模擬泄漏率的誤差精度和穩定性的數據分析，得出結論：

該系統在適用范圍0.201 ml/min～9.565 ml/min內，具有誤差小，精度高并且具有良好的穩定性，達到了標定氣體泄漏檢測設備時對模擬泄漏精度和穩定性的要求，可為標定氣體泄漏檢測設備的檢測精度提供方便的平臺和可靠的依據。

另外，實驗并沒有具體分析氣壓壓力大小對系統的影響，沒能準確給出系統所適用的最高壓力。同時研究過程中發現：得到更高的時鐘輸入頻率Frequency，對系統的精度會有所改善。期望在日后的工作中能進一步研究。