基于STM32的電子式氣動量儀的設計與實現

徐圣陽，李原百，馬旺健，樊高一格，房楊政，胡丹峰

（蘇州大學電子信息學院，江蘇蘇州，215000）

近年來，隨著工業4.0技術的發展和推進，傳統生產線上的機械零部件尺寸測量方法已無法滿足高精度測量的基礎上數據的互聯互通[1,2]。目前，我國量具量儀制造技術和產品在總體上更多依賴于引進與仿制以及廉價的人力、物力資源，中低端產品競爭激烈，而高端產品市場難以進入[3]。因此，測量精度高，使用方便，成本較低的量具量儀是目前國內測量行業亟需補缺的空白。

氣動量儀作為新型測具，以氣體為測量介質，將長度信號轉化為氣流信號，通過氣電轉換器進一步轉化為電信號，繼而進行比較測量[4]。氣動量儀由于其以氣體為測量介質的特點，相比于其他的測量器具，可測量項目多，人為誤差小，且測量頭不與被測表面直接接觸，可成為高精度測量的主要儀具之一[5～6]。

本項目采用高度集成的設計方案，以有效減小量儀體積，大幅降低生產成本為目標，設計出一款便攜式的電子式氣動量儀，并對氣動量儀的參數設計進行優化，并使用合適的補償算法，通過濾波算法，減小噪聲干擾，極大地提高了測量精度，實現0.1微米的測量精度，使測量結果更為精確[8]。為了在有線通信的基礎上優化通信協議，項目采用LoRa無線通信技術，擺脫有線的束縛，使量儀能夠在復雜工業環境下實現可靠數據傳輸[9]。

1 氣動量儀測量原理

氣動測量的原理是基于流體動力學和流體靜力學,依據壓縮空氣的壓力特性和流量特性，對工件的結構和物理尺寸進行測量的方式[4]。氣動測量廣泛的應用在汽車制造領域，氣動測量裝置機構簡單、操作容易、測量精度高，尤其對于在汽車制造工業要求高精度大批量的零件制造中得到廣泛的推廣和應用。

氣動測量技術通過將空氣流量和壓力的變化量，轉化成工件尺寸的變化，來測量工件的尺寸。氣動測量過程中的壓縮空氣的壓力和流量都與氣動測量裝置和工件的間隙的大小成比例關系，與此同時，壓縮空氣的壓力和流量大小之間成反比關系，壓力經過變化的壓縮空氣流，流過調節閥到達氣動測量裝置的噴嘴處，當噴嘴孔是直接連接大氣壓時，噴嘴孔則有最大流量通過，調節閥和噴嘴之間在此時存在一個最小壓力，即背壓。當障礙物由遠及近的貼近噴嘴孔時，從噴嘴孔處流出的空氣流量就會因之而降低，此時背壓值會升高，當噴嘴孔被完全擋住后，流量將變化為零，這時系統的背壓值將會和調壓閥的處的出口壓力值相等。

在以上的分析中，空氣流量的大小逐漸降低，背壓值的大小逐漸升高。圖1中流量-間隙、壓力-間隙的曲線圖清晰的反映了這個完整的變化過程。在壓力和流量的初始和飽和階段以外，流量、壓力與間隙近似一階線形關系，氣動量儀的測量就是基于這樣的正比例關系。當流量增大或減小時，通過這種線性比例關系，準確的得到噴嘴孔與障礙物之間的間隙的變化，即氣動測量裝置的測與被測零件表面的間隙的變化；同樣的，背壓值的大小反映了氣動測頭的噴嘴與被測零部件之間的間隙值。

圖1 氣動量儀間隙與流量、壓力變化曲線圖

2 系統硬件方案和軟件工作流程

2.1 硬件設計方案

本系統硬件設計總共分為四個模塊，整體框圖如圖2所示。系統通過模數轉換模塊實現數據采集、穩壓模塊提供電源并穩定內部電壓、無線通信模塊實現數據交互、指示模塊顯示工作狀態。以下分為硬件電路設計和無線通信實現兩個方面進行說明。

圖2 氣動量儀硬件設計框圖

2.1.1 硬件電路設計

模數轉換模塊選用具有串行外設接口的16位ADC芯片ADS1120進行數據采集。ADC電路ADS1120可以和傳感器橋式電路無縫對接，在其中加入補償算法保證測量數據的精確度。其中AIN1引腳、AIN2引腳分別對26PCDFA6D壓力傳感器芯片OUT+引腳、OUT-引腳進行AD采集，并且通過IO引腳PA4-PA7，用SPI通信方式將數據傳送到STM32F103C8T6處理器芯片。

穩壓模塊選用APL1117-3V3三端穩壓集成電路穩定輸出3.3V電壓；選用L7805C正電壓穩壓器，穩壓器穩定輸出5V電壓，該穩壓器不需外接補償元件，內含限流保護電路，可防止負載短路燒毀元件。

指示模塊選用4個LED模塊，分別與STM32F103C8T6處理器芯片的PA0-PA3引腳相連，處理器芯片向模塊發送指示（低電平有效），用作硬件電路的運行狀態、連接狀態、接收狀態、發送狀態的指示信號。

2.1.2 無線通信實現

隨著物聯網技術的發展，涌現出多種無線技術，在這些技術中，LPWAN通信技術中的其中一種形式LoRa技術出現，它的遠距離、低功耗、多節點、低成本的特性，得到了物聯網界的認可。LoRa使用線性調頻擴頻調制技術，保持了低功耗的同時，明顯增加了通信距離和網絡效率，并消除了干擾，達到即使使用相同頻率同時發送也不會產生相互干擾。在LoRa基礎上研發出的網關可以并行接收、處理多個節點數據，拓展了系統容量[10]。

在經過甄選后，項目確定選用LoRa無線通信技術，并購買LoRa集中器USR-LG220-L（具體規格如圖3所示）、WH-L101系 列LoRa模 塊。USR-LG220-L是 一 款基于LoRa私有協議的集中器，通過USR私有協議實現集中器與LoRa節點自由組網、集中器與服務器通訊。它支持1個有線WAN口、1個WI-FI無線局域網、4個LoRa通道（1個管理通道、3個數據通道）、128個信道頻段（398MHz～525MHz），支持4G網絡接口，以下為具體實現方法。

圖 3 LoRa集中器USR-LG220-L具體規格圖

系統使用24V電源適配器給集中器供電，集中器上電啟動完成后用PC或手機可以搜索到集中器的WI-FI熱點，連接WI-FI，進入集中器配置網頁對其進行數據輪詢，保證通信質量。

節點使用LoRa終端WH-L101-C。使用串口線連接LoRa終端RS232接口與電腦，在PC端找到相應串口號并打開串口，波特率默認為115200，設置應用ID、信道、速率。節點上電后會發送入網請求給集中器，入網成功后在集中器配置網頁中可以查看入網的節點的信息。用網線將集中器與服務器連入同一局域網，節點入網成功后，集中器會向節點發送輪詢數據，此時掛載在節點上的終端設備回復數據，通過節點與集中器發送到服務器，實現無線傳輸功能。

2.2 軟件工作流程

本系統軟件部分由C語言程序編寫完成。該程序由Keil開發環境在系統計算機的支持下轉化為十六進制的機器代碼，并產生HEX文件。系統整體軟件流程圖如圖4所示，系統上電后，先用HAL_Init()對STM32的hal庫進行初始化，對系統時鐘、相應的GPIO口以及與SPI1、USART1、定時器3進行初始化，設置相應的波特率，然后對于SPI連接的ADS1120進行初始化，實時讀取與26PCDFA6D壓力傳感器連接的ADS1120相應寄存器中的數據，然后進入主循環Task_Process()函數。主循環中，通過command()函數，識別不同的功能碼，與上位機進行通信。當接收完8個MODBUS的功能碼之后，自動清0，重新接收（目前支持的01、05、03、06命令讀取或者寫入每次都發送8個字節）。最后，對采集到的數據進行滑動平均濾波，再通過Lora模塊將處理好的數據發送給上位機。

圖 4 系統軟件流程圖

其中，在采樣端，傳感器輸出的信號往往存在非線性的情況，如直接進行線性化處理會帶來非線性誤差，因此需要進行必要的補償，使傳感器工作在所要求的精度范圍內[11]。而通過對標準件的氣壓數據采集，擬合出一定限度內的精準尺寸函數，即在判斷器件合格的基礎上輸出測量尺寸。

3 系統測試結果

本系統采用24V直流電源供電， APL1117-3V3三端穩壓集成電路穩定輸出3.3V電壓對指示模塊等供電，L7805C正電壓穩壓器穩定輸出5V電壓對AD模塊供電，24V直流電穩定供給通信模塊，并提供天線實現無線傳輸。圖5所示為整體系統現場測試圖，系統內部集成一個Honeywell公司的26PCDFA6D壓力傳感器芯片，通過橋式電路連接到TI公司的ADC電路，采集氣壓數據，然后通過SPI接口向單片機STM32F103C8T6發送采樣數據，最后，單片機通過Lora無線通信模塊將采樣數據發送出來，實現串口通信與無線通信的無縫對接。整個電路板的氣管連接部分通過灌膠方式密封，以達到測量氣路的氣密性。工作流程圖如圖6所示。

圖 5 整體系統現場測試圖

圖 6 系統工作流程示意圖

在無線節點端，通過PC端連接集中器的WI-FI熱點進行設置，如圖7所示，在節點入網后由集中器進行輪詢，以保證數據實時傳輸。

圖 7 WI-FI設置示意圖

4 結語

本方案使用合適的處理算法，使得結果更加精準，可測得高精度零件尺寸。與此同時，通過優化軟硬件的設計，將測量儀器高度集成化，復雜的連接線和接口集中到一塊電路板，實現電子式便攜氣動量儀，體積小于同類產品，能夠在零件產線上在線測試；運用工業物聯網，冗長的工業總線被穩定的無線通信替代，擺脫有線的束縛，并能將結果及時反饋給工控機，有效地實現了氣動量儀的便攜性，極大降低了成本。