楊繼森，江中偉，冉揚潔，李宏偉

(重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400050)

0 引 言

第一代時柵位移傳感器根據(jù)“TST”原理，研究出第一臺時柵位移傳感器樣機，該樣機沒有數(shù)據(jù)傳輸端口僅僅是對“TST”原理的驗證;通過引入“場”的概念，時柵位移傳感器課題組成功研制出第二代時柵位移傳感器:場式時柵位移傳感器［1］，第二代代產(chǎn)品主要用串口作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在設定串行接口的波特為57 600 bps 時，場式時柵位移傳感器能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。隨著時柵位移傳感器動態(tài)測量技術的提升，提高時柵位移傳感器的激勵信號頻率成為一項關鍵的技術手段，但是激勵源信號頻率的增加，在時柵傳感器第二代產(chǎn)品中仍然用串行接口作為數(shù)據(jù)傳輸方式就不能滿足要求。通過德國Heidenhain 圓光柵數(shù)據(jù)傳輸方式—增量式接口的啟發(fā)，在第三代時柵傳感器數(shù)據(jù)傳輸部分加入了增量式接口。在第四代產(chǎn)品中采用USB 2.0 作為主要的數(shù)據(jù)傳輸方式。在激勵信號頻率為20，40 kHz時，USB 接口最大傳輸速率為480 Mbps，基本能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求;但同時存在上位機開發(fā)難度大、USB 驅(qū)動程序復雜等不足。

本文提出采用網(wǎng)絡端口的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，同時增加其遠程初始校驗與遠程故障診斷功能，將Internet 技術和時柵位移傳感器相融合，這種時柵位移傳感器模型可有效地進行故障診斷分析，減少客戶的故障損失，并可以更好地開展售后服務，促進了時柵位移傳感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 uIP 協(xié)議分析

uIP 協(xié)議是一種使用于低至8 位或16 位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的一個可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧［2］。本方案采用的是由瑞典計算機科學研究所Adam Dunkels 開發(fā)的uIP 1.0，它采用模塊化設計，其代碼量僅為幾千字節(jié)，只需要幾百字節(jié)的內(nèi)存就可以順利運行，完全適應目前時柵位移傳感器的嵌入式系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 uIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of uIP protocol stack

由圖1 可知，uIP 協(xié)議處于網(wǎng)絡通信的中間層。需要用戶為uIP 協(xié)議棧提供專用的定時器驅(qū)動程序和網(wǎng)卡驅(qū)動程序［3，4］，uIP 協(xié)議則為底層系統(tǒng)提供了4 個接口函數(shù):uIP_init()，uIP_input()，uIP_periodic()和uIP_udp_periodic()。它們的作用分別是:1)完成uIP 協(xié)議棧的初始化;2)處理接收到的ip 數(shù)據(jù)包;3)協(xié)議棧內(nèi)核周期性地對各tcp 連接的輪詢，如果需要調(diào)用上層應用程序處理，則調(diào)用uIP_tcp_call();4)用于udp 服務下周期性地對各udp 連接的輪詢，如果需要調(diào)用上層應用程序處理，則調(diào)用uIP_udp_call()。其中，uIP_input()和uIP_periodic()在其協(xié)議的內(nèi)部都采用同一個函數(shù)void uIP_process(u8_t flag)來實現(xiàn)，只是區(qū)別在于調(diào)用的參數(shù)不同［5］。

2 系統(tǒng)硬件

時柵位移傳感器整個電氣信號系統(tǒng)包括:勵磁信號產(chǎn)生模塊、微弱信號調(diào)理模塊和微控制器模塊。整個系統(tǒng)的設計方案是通過網(wǎng)絡控制芯片ENC28J60 接入網(wǎng)絡，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of system

2.1 信號系統(tǒng)模塊

時柵位移傳感器嵌入式信號系統(tǒng)模塊包括:微處理器模塊、勵磁信號產(chǎn)生模塊和弱信號調(diào)理模塊。微處理器模塊主要控制AD9959 產(chǎn)生三相勵磁信號和完成時柵位移傳感器感應信號的后處理(包括信號采集、誤差補償、信號轉(zhuǎn)換)［6］;時柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)類似三相電機，當時柵位移傳感器引入三相激勵信號后，根據(jù)電磁原理，則會在時柵位移傳感器內(nèi)部的定、轉(zhuǎn)子氣隙間形成一個磁行波，那么，傳感器測頭就會感應出感應信號。由于感應信號較弱就需要微弱信號調(diào)理模塊對感應信號進行調(diào)理(包括濾波、放大和整形)［7］。

2.2 網(wǎng)絡接口模塊

網(wǎng)絡接口芯片選用ENC28J60(Microchip 公司)，它可作為任何配有SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口，它是全球目前最小封裝的以太網(wǎng)控制器，且符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范，支持一個帶自動極性檢測和校正的10BASE—T 端和支持全雙工和半雙工模式;8 kB 發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM，可配置發(fā)送/接收緩沖器大小。同時還提供了一個內(nèi)部DMA 以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP 校驗和計算。與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI 實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10 Mb/s［8］。硬件連接圖如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡控制器連接圖Fig 3 Connection diagram of network controller

3 網(wǎng)絡功能模型

本方案在原理上將沿襲“以時間測量空間”的思想，在功能結(jié)構(gòu)上提出將uIP 引入時柵位移傳感器測量系統(tǒng)配合網(wǎng)絡算法，以實現(xiàn)時柵位移傳感器的信息化、智能化、網(wǎng)絡化;功能上實現(xiàn)時柵位移傳感器在線故障診斷、遠程初始校驗和大數(shù)據(jù)采集。

3.1 故障診斷和遠程校驗模型

儀器設備的在線故障診斷功能和遠程初始校驗功能已被廣泛接收和采用，并具有成熟的理論體系。本文提出在時柵位移傳感器中增加其在線故障診斷功能和遠程校驗功能，圖4 為時柵傳感器遠程故障診斷和遠程初始校驗模型。用戶在使用時柵位移傳感器時，控制系統(tǒng)通過對采集到的數(shù)據(jù)進行加密和封裝，利用Internet 傳送到生產(chǎn)商所在的產(chǎn)品服務器上，通過訪問故障特征知識庫進行查詢故障的來源和故障解決方式，然后再傳到用戶的時柵位移傳感器的控制電氣箱，以此達到在線故障診斷和遠程校驗的目的。

3.2 大數(shù)據(jù)采集

圖4 在線故障診斷框圖Fig 4 Block diagram of online fault diagnosis

本方案提出時柵位移傳感器的大數(shù)據(jù)采集模型。利用網(wǎng)絡協(xié)議對采集到的數(shù)據(jù)進行封裝并通過網(wǎng)絡接口直接發(fā)送給終端的算法模型，從而提高了數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性，其模型框圖如圖5 所示。從時柵位移傳感器電氣系統(tǒng)程序的應用中得到所需要采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)物理網(wǎng)絡上的傳輸需求進行轉(zhuǎn)換;經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以bits 的形式在物理介質(zhì)上傳輸;當數(shù)據(jù)到達上位機時，設備根據(jù)需求解除數(shù)據(jù)上的控制信息，并按一定的算法進行轉(zhuǎn)換［9～11］。

圖5 大數(shù)據(jù)采集框圖Fig 5 Block diagram of big data acquisition

4 軟件流程

4.1 時柵位移傳感器系統(tǒng)診斷流程圖

根據(jù)時柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)模型分析，時柵位移傳感器最主要的故障可分為三相激勵信號電壓頻率不等，電壓幅值不等和轉(zhuǎn)子感應信號電壓值異常。一旦出現(xiàn)上述故障后通過加密算法將異常值進行打包，然后通過網(wǎng)絡發(fā)送到廠家的產(chǎn)品服務器上，通過專家診斷系統(tǒng)進行故障診斷，以及時幫助用戶排除故障。圖6 所示為時柵位移傳感器故障診斷流程圖。

4.2 uIP 協(xié)議主程序流程

通過調(diào)用uIP_init()和enc28j60_init()函數(shù)對uIP 協(xié)議棧和網(wǎng)絡控制器ENC28J60 進行初始化，通過函數(shù)uIP_len()是否大于0，判斷網(wǎng)絡控制器接收的數(shù)據(jù)，如果大于0則通過函數(shù)uIP_input()處理IP 包;當uIP_input()函數(shù)返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uIP_len 指明。如果uIP_len 大于0，則調(diào)用網(wǎng)絡設備驅(qū)動發(fā)送數(shù)據(jù)包［12］，其具體流程圖如圖7 所示。

圖6 時柵位移傳感器故障診斷流程圖Fig 6 Fault diagnosis flow chart of time grating displacement sensor

圖7 uIP 協(xié)議棧流程圖Fig 7 Flow chart of uIP protocol stack

5 實驗分析

本方案的實驗所搭建的實驗平臺圖如8 所示，時柵位移傳感器和光柵通過彈性聯(lián)軸器同軸安裝，時柵位移傳感器通過電氣系統(tǒng)引入激勵信號，然后通過上位機軟件進行大數(shù)據(jù)采集和故障分析。根據(jù)上述分析，時柵位移傳感器的主要故障來源于勵磁信號，具體包括三相勵磁信號幅值不等、相位不均分、信號短路。因此，通過時柵的電氣系統(tǒng)人為的引入故障信號，以提取時柵位移傳感器的感應信號。

圖9 為輸入的時柵激勵信號為:短路、幅值不等、相位不均分以及標準信號，所測得的感應信號。

由于時柵感應信號是一個連續(xù)的信號，對峰—峰值的提取有一定的困難，因此，將上述的信號進行傅里葉變化，如圖10 所示，從而可以有效提取激勵信號各種故障的幅值信號，有效地判斷故障的來源。

圖8 時柵系統(tǒng)實驗裝置Fig 8 Experimental apparatus of time grating system

圖9 時柵位移傳感器感應信號Fig 9 Induced signals of time grating displacement sensor

圖10 時柵位移傳感器感應信號幅度譜Fig 10 Induced signals amplitude spectrum of time grating displacement sensor

6 結(jié)束語

本文將uIP 協(xié)議棧同時柵位移傳感器嵌入式信號系統(tǒng)相結(jié)合，并選取合適的網(wǎng)卡控制器，進而到達了將時柵位移傳感器接入Internet 的目的。同時，論證了該方案在功能上實現(xiàn)時柵位移傳感器的在線故障診斷、遠程初始校驗和大數(shù)據(jù)的采集功能的可行性，并給出了一定的硬件框圖和軟件流程，對時柵位移傳感器提升產(chǎn)品競爭力和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

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