李張標　余善成　秦樹偉

(寧波市計量測試研究院，寧波 315048)

0　引言

扭矩扳子也稱扭矩扳手、扭力扳手或力矩扳手，用來緊固螺釘、螺栓、螺母等緊固件時所需控制施加的力矩大小，以保證能將其緊固且不至于因力矩過大而破壞螺紋。

扭矩扳子是通過扭矩扳子檢定儀來校準其示值是否正確，以達到保證扭矩量值的準確性。扭矩扳子檢定儀有機械式、液壓式和電子式三種。目前使用的扭矩扳子檢定儀大多為電子式，電子式扭矩儀是將被檢扭矩扳子的扳頭與扭矩傳感器的棘輪孔同軸串接，當在扭矩扳子尾部直接或間接施加扭矩時，傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、峰值保持，最后在數(shù)字指示裝置上顯示出來。

機械式、液壓式與電子式扭矩扳子檢定儀目前均需人工數(shù)據(jù)采集、記錄及處理，對被測扭矩扳子的質(zhì)量分析也是要通過人工操作才能進行。即使電子式扭矩扳子檢定儀自身雖具備數(shù)據(jù)讀取、顯示功能，但大多功能簡單，主要是通過扭矩傳感器將扭矩信號轉(zhuǎn)變成電信號并直接顯示扭矩值，只具有顯示功能，無數(shù)據(jù)存貯及處理功能。這就亟需對智能化扭矩檢測進行方法研究并進行系統(tǒng)設(shè)計，將檢定儀與PC機對接，使測試數(shù)據(jù)能夠被讀取、傳輸并存儲在數(shù)據(jù)庫中，在PC機中進行分析、處理、統(tǒng)計。這不僅提高了扭矩扳子測試的工作效率，更保證了檢測結(jié)果的準確性。

扭矩傳感器的使用受量程的限制，下限使用范圍是扭矩傳感器量程的20%，所以在實驗室中要解決被測扭矩扳子量程連續(xù)的問題，就必須配備多臺扭矩扳子檢定儀，一般在實驗室中如配置到20～2000Nm測量范圍，就必須配備7～8臺扭矩扳子檢定儀。如果每臺扭矩儀配備一臺PC機，則勢必造成資源的浪費。因而有必要解決這一現(xiàn)實問題，實現(xiàn)一臺PC機對應(yīng)多臺檢測儀數(shù)據(jù)處理終端。

宋謙等人提出一種基于Zigbee的無線扭矩測量系統(tǒng)[1]，郭吉術(shù)提出一種基于NRF2401的無線扭矩監(jiān)測系統(tǒng)[2]，張德龍?zhí)岢鲆环N基于藍牙的無線扭矩測量系統(tǒng)[3]，但對多臺檢定儀組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)都沒有給出解決方案。相比藍牙、GPRS等其他無線數(shù)據(jù)傳輸方式，基于Zigbee的無線傳輸平臺具有穩(wěn)定性好、成本低、協(xié)議簡單、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點。本文設(shè)計了一種基于Zigbee的扭矩扳子檢定系統(tǒng)，可以將多臺檢定儀組成無線網(wǎng)絡(luò)，完成檢定校準工作。

1　系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)由若干臺扭矩扳子檢定儀及一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)平臺組成。扭矩扳子檢定儀在檢測過程中產(chǎn)生的數(shù)字信號通過RS232接口連接到無線發(fā)送裝置，由無線接收終端將信號接收，再通過RS232接口傳輸?shù)娇刂破脚_，由控制平臺將信號進一步處理。

圖1　系統(tǒng)原理圖

該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于IEEE802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)，采用了基于Zigbee技術(shù)的XBee-Pro芯片，該芯片功耗低，發(fā)送狀態(tài)工作電流為215mA，接收狀態(tài)工作電流為55mA，待機工作電流為10μA，該芯片工作頻率為2.4GHz。扭矩扳子檢定儀采用電子式扭矩儀，該檢定儀在檢測扭矩扳子時能夠通過RS232接口發(fā)出實時扭矩值的數(shù)字信號，將無線收發(fā)模塊與RS232接口連接，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的一個子節(jié)點。在接收端，利用PC機的串口與無線接收端連接，使用基于VC++語言開發(fā)的檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2　基于Zigbee的數(shù)據(jù)通信平臺設(shè)計

由于Zigbee技術(shù)具有強大的無線組網(wǎng)能力，可以組成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)，本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)特點，選用了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即點對多點的通信方式。心節(jié)點為Zigbee協(xié)調(diào)器，子節(jié)點為Zigbee終端設(shè)備，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點。

系統(tǒng)采用Microchip的開源Zigbee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是Zigbee的精簡協(xié)議棧，實現(xiàn)了大部分功能。主要包括以下幾個部分：

1) IEEE802.15.4部分，由XBee-Pro芯片提供物理層和MAC層功能；

2)上層協(xié)議，使用成熟的協(xié)議棧；

3)用戶程序，根據(jù)Zigbee規(guī)范的規(guī)定，應(yīng)用各廠商提供的API函數(shù)來實現(xiàn)Zigbee的全部功能，進行組網(wǎng)開發(fā)[4]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換方式為半雙工方式，為了避免同頻干擾的問題，且在檢定校準時通常只有一臺扭矩扳子檢定儀在工作，其他的處于非工作狀態(tài)，故通信采用時分復(fù)用技術(shù)，檢測主機通過掃描的方式與各個發(fā)送端進行點對點雙向通信。檢測主機收到上位機發(fā)出的檢測命令后向系統(tǒng)中某一遠程檢測分機發(fā)出分機地址代碼，每個分機收到地址代碼后被尋址的分機返回本機地址給主機，其他分機進入休眠狀態(tài)。在判斷地址相符后主機給被尋址的分機再發(fā)送請求數(shù)據(jù)控制命令，被尋址分機根據(jù)其命令進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)向主機發(fā)送，檢測和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后發(fā)出結(jié)束代碼。主機接收數(shù)據(jù)包后進行校驗，若校驗正確，則發(fā)送握手信號，否則重新請求數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。一臺分機檢測結(jié)束后主機把扭矩數(shù)據(jù)通過RS232接口傳送到計算機，然后進行下一個分機檢測，直到所有分機掃描一遍為止。在掃描過程中某一個分機規(guī)定時間內(nèi)沒有應(yīng)答，則重新發(fā)送該機地址代碼，仍無應(yīng)答信號，就顯示通信失敗或分機故障報警。采集完畢后由系統(tǒng)上的 Zigbee 終端節(jié)點發(fā)送請求，等待協(xié)調(diào)器接收采集到的信號，接收完畢后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳給計算機。

3　扭矩扳子檢測軟件設(shè)計

扭矩扳子檢測系統(tǒng)與無線數(shù)據(jù)傳輸平臺傳輸數(shù)據(jù)時，首先對設(shè)備進行初始化，尋找網(wǎng)絡(luò)。與無線傳輸平臺聯(lián)網(wǎng)成功后，登陸到系統(tǒng)界面，通過按鍵觸發(fā)進行扭矩信息在無線傳輸平臺上的傳送。當各個終端節(jié)點的扭矩采集數(shù)據(jù)通過平臺傳送到終端之后，終端通過串口將接收的數(shù)據(jù)傳送給PC機處理。

設(shè)計選擇的數(shù)據(jù)庫為Access2003，程序開發(fā)工具為VC++6.0。系統(tǒng)使用VisualC++6.0中MSComm控件進行串口數(shù)據(jù)接收，并且使用事件驅(qū)動法進行程序設(shè)計。利用MSComm控件引發(fā)OnComm事件，應(yīng)用程序在捕獲該事件后，檢查MSComm控件的COmmEveni屬性，若為接收屬性則接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理則是按JJG 707—2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》編寫的[5]，具備數(shù)據(jù)處理功能，即軟件可對所有數(shù)據(jù)進行自動處理，形成原始記錄，這樣能大幅提升工作效率。為便于維護與管理測量數(shù)據(jù)，若需查詢數(shù)據(jù),可通過檢索型號規(guī)格、檢定時間、證書編號、有效期限、器具編號、送檢單位等信息來實現(xiàn)。同時，可以進行各種扭矩單位的換算，即將輸出的N·m換算成kgf·m、lbf·in、lbf·ft等單位，并具有扭矩扳子的加載曲線圖生成功能。

4　結(jié)論

Zigbee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)將Zigbee技術(shù)與扭矩扳子檢定結(jié)合起來，最終實現(xiàn)了多臺扭矩扳子檢定儀使用一臺PC機實時處理檢定數(shù)據(jù)的工作，將檢定校準的計量器具信息及數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫中，可供日后查詢，并嚴格按照檢定規(guī)程完成整個扭矩扳子的檢定校準工作，降低了人為因素在檢定校準工作中產(chǎn)生粗大誤差的概率，并大大提高了工作效率。

[1]宋謙.基于Zigbee的無線扭矩測量系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2013,32(6)

[2]郭吉術(shù).基于NRF2401的無線扭矩監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)及傳感器，2012(12)

[3]張德龍.基于藍牙4.0的無線扭矩測量分析[J].網(wǎng)絡(luò)與信息工程，2013(15)

[4]張蕓薇.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2013

[5]JJG 707—2003 扭矩扳子計量檢定規(guī)程