韓延?xùn)|，任永杰，楊學(xué)友

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

wMPS測(cè)量系統(tǒng)中的新型電源控制箱設(shè)計(jì)

韓延?xùn)|，任永杰，楊學(xué)友

(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

設(shè)計(jì)了為室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)(wMPS)供電的新型電源控制箱。該電源控制箱從機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的快速布站，同時(shí)引入無線控制功能，完善了通訊協(xié)議，可以及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的便攜靈活性，并可通過無線功能配套相關(guān)協(xié)議，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)狀態(tài)，為測(cè)量系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供必要的技術(shù)保障。

電源控制箱；通訊協(xié)議；無線控制；wMPS；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

基于角度交會(huì)的網(wǎng)絡(luò)布站式測(cè)量系統(tǒng)(wMPS)已廣泛應(yīng)用在多種工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，系統(tǒng)內(nèi)可靠穩(wěn)定的供電裝置是準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)。電源箱需要持續(xù)穩(wěn)定的對(duì)wMPS系統(tǒng)內(nèi)的測(cè)量發(fā)射站進(jìn)行供電，測(cè)量發(fā)射站才能發(fā)射出掃描光，構(gòu)建掃描區(qū)域，獲得待測(cè)點(diǎn)信息。wMPS測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖1所示。

圖1 wMPS測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布局圖

由圖1可知，每臺(tái)發(fā)射站均配備一個(gè)電源箱，箱體內(nèi)部安放有電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電給發(fā)射站供電。原有電源箱箱體笨重，且需要較長外部接線才能保證發(fā)射站安放在三腳架上，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很容易被工人誤碰或碾壓，而且該測(cè)量系統(tǒng)為多站式的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)，原有電源箱功能單一，制約了測(cè)量系統(tǒng)效能的發(fā)揮，因而有必要重新設(shè)計(jì)電源控制箱，以下簡稱“電控箱”。本文設(shè)計(jì)的電控箱在箱體機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改良，極大減小體積，同時(shí)使電控箱可以安放在三腳架上，同時(shí)頂部牢固承載發(fā)射站，實(shí)現(xiàn)供電測(cè)量一體化。箱體內(nèi)安放了具備無線功能的控制單元，并對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，可以安全有效地承擔(dān)部分測(cè)量與監(jiān)測(cè)工作。新舊電源箱對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 新舊電源箱對(duì)比

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電控箱內(nèi)部加入的控制板是整個(gè)新型供電裝置的關(guān)鍵。每臺(tái)測(cè)量發(fā)射站均配備一個(gè)電控箱，兩者之間通過短線纜連接，線纜內(nèi)部包含供電線纜和RS485通訊線纜，選用RS485線纜是因?yàn)槠淇垢蓴_能力強(qiáng)、傳輸速率高?？刂瓢暹x用ARM7芯片LPC2103作為CPU，UART作為通訊接口，同時(shí)加入串口無線模塊USR-WIFI232-B，并編寫相關(guān)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)發(fā)射基站單元的遠(yuǎn)程控制和組網(wǎng)。箱體內(nèi)部控制板功能布局圖及實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 電路板布局圖及實(shí)物圖

1.2 電子開關(guān)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量過程中，測(cè)量發(fā)射站會(huì)重復(fù)“啟動(dòng)-運(yùn)行-停止”的過程。新型電控箱在控制板上引入MOS電子開關(guān)[1]。本文設(shè)計(jì)時(shí)選用的是IRF9393TRPbF，導(dǎo)通電壓要求小于－2.4 V，－與導(dǎo)通電阻關(guān)系如圖4所示。

圖4 －與關(guān)系圖

控制板CPU配合PMST3904三極管，通過電阻分壓，使三極管處于飽和區(qū)，放大倍數(shù)為10，傳輸控制信號(hào)令－在6～8 V之間，由圖4可知，在10～20 mΩ。根據(jù)，電子開關(guān)工作時(shí)消耗功率為=0.4 A×0.4 A×20 mΩ= 3.2 mW，即可以在不影響系統(tǒng)整體功率的同時(shí)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)供電的開斷，相比原有電源箱的硬性開斷電方式，對(duì)提高發(fā)射站的使用壽命、優(yōu)化測(cè)量系統(tǒng)有顯著效果。啟動(dòng)和停止流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 開機(jī)流程圖

圖6 關(guān)機(jī)流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 無線組網(wǎng)配置

帶有無線功能的電控箱能夠協(xié)助構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)式測(cè)量布局[2]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量布局如圖7所示。利用電控箱的無線功能將控制板配置成一個(gè)無線工作站(STA)進(jìn)行組網(wǎng)，即選取無線模塊為無線網(wǎng)絡(luò)終端。模塊支持在聯(lián)網(wǎng)過程中綁定目的網(wǎng)絡(luò)的BSSID功能。根據(jù)802.11協(xié)議規(guī)定，不同的無線網(wǎng)絡(luò)可以有相同的網(wǎng)絡(luò)名稱，但是必須對(duì)應(yīng)唯一的BSSID地址(即MAC地址)。通過BSSID地址綁定，可以防止STA接入到非法網(wǎng)絡(luò)上，提高了無線網(wǎng)絡(luò)通訊的安全性。

圖7 無線測(cè)量網(wǎng)絡(luò)布局圖

測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操控時(shí)，測(cè)量人員在PC機(jī)通訊軟件中將PC機(jī)設(shè)置為TCP Client，以當(dāng)前計(jì)算機(jī)IP(不同電腦會(huì)有不同IP)10.10.100.101，對(duì)應(yīng)服務(wù)器IP10.10.100.254，WIFI連接成功后，PC機(jī)對(duì)端口號(hào)“8899”服務(wù)器端口進(jìn)行監(jiān)聽，達(dá)到無線通訊效果。每臺(tái)PC機(jī)會(huì)有固定唯一IP，保證了無線通訊的可靠性和安全性。

2.2 通信協(xié)議校驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間的通訊需要通訊協(xié)議，以使測(cè)量發(fā)射站與電控箱之間可以安全地進(jìn)行“交流”。通訊協(xié)議保證了讀取的測(cè)量發(fā)射站速度、內(nèi)參量等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并為控制指令的傳輸提供保護(hù)。為了提高通訊過程的抗干擾性，在通訊協(xié)議中加入了CRC校驗(yàn)[3]，并對(duì)校驗(yàn)過程進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

CRC全名為循環(huán)冗余校驗(yàn)，一般用在通信領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制，本文采用CRC16-CCITT校驗(yàn)方式。若數(shù)據(jù)信息長度為位，校驗(yàn)字段為位，則發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)代碼總長為位。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)來確保傳送正常，這個(gè)規(guī)則即為“生成多項(xiàng)式”。CRC16-CCITT的生成多項(xiàng)式為：

本通訊協(xié)議中為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)回傳的及時(shí)性，對(duì)普通的CRC校驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)XOR除法的交換律，有：

圖8 帶有CRC校驗(yàn)的指令結(jié)構(gòu)圖

其中“OpCode”為協(xié)議雙方協(xié)定好的幀頭命令，“l(fā)en-1”中“Len”為發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，“DATA”為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，“CRC”為根據(jù)生成多項(xiàng)式計(jì)算出的校驗(yàn)碼。電控箱與發(fā)射站之間的校驗(yàn)通訊應(yīng)答流程圖如圖9所示。

圖9 電控箱與發(fā)射站通訊應(yīng)答流程圖

本通訊協(xié)議指令中指出了消息長度，沒有采用結(jié)束標(biāo)志的方式，目的在于防止產(chǎn)生以下幾種差錯(cuò)：消息之前額外增加1個(gè)或多個(gè)0；消息以1個(gè)或多個(gè)連續(xù)0字節(jié)開始，丟掉1個(gè)或多個(gè)0；消息之后額外增加1個(gè)或多個(gè)0；消息以1個(gè)或多個(gè)連續(xù)的0字節(jié)結(jié)尾，丟掉1個(gè)或多個(gè)0。以上差錯(cuò)在不指定通訊指令長度時(shí)會(huì)高頻率產(chǎn)生，并且很難檢測(cè)排除，主要原因在于寄存器值為0時(shí)，處理0消息字節(jié)，寄存器值不變。

為了解決以上問題，本文對(duì)CRC16-CCITT校驗(yàn)程序進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)前兩個(gè)問題，在程序中進(jìn)行如下修改(下劃線部分為修改處)：

通過對(duì)crc-reg進(jìn)行右移8位的操作，以及與0xff相“與”，保證了寄存器初值非0，解決了情況前兩種差錯(cuò)。

針對(duì)后兩個(gè)問題，在 CRC16-CCITT標(biāo)準(zhǔn)中，令reg-init=0xffff，然后與計(jì)算出的校驗(yàn)碼進(jìn)行“亦或”運(yùn)算，可以解決后兩種差錯(cuò)，方案如下：

2.3 測(cè)量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與響應(yīng)

通訊過程有通訊協(xié)議及CRC校驗(yàn)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此電控箱內(nèi)CPU芯片接收到反饋數(shù)據(jù)后，根據(jù)初始設(shè)計(jì)程序進(jìn)行解算，然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)窗口，即可將測(cè)量發(fā)射站狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來，解算流程如圖10所示。

圖10 速度數(shù)據(jù)解算流程圖

在通訊過程中需要注意規(guī)劃一次完整通訊的時(shí)間[4]，否則在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)容易造成堵塞。本系統(tǒng)波特率設(shè)定為9 600 b/s，一字節(jié)傳送耗時(shí)為10 b/9 600 b/s=1.04 ms，每次電控箱向發(fā)射站發(fā)送指令耗時(shí)為1.04 ms×10=10.4 ms，發(fā)射站反饋信息傳輸時(shí)間為1.04 ms×11=11.44 ms，考慮到CPU解算耗時(shí)少，所以單次發(fā)送指令進(jìn)行測(cè)速耗時(shí)約為25 ms。發(fā)射站設(shè)定的響應(yīng)超時(shí)時(shí)間為100 ms，遠(yuǎn)大于25 ms，確保了查詢發(fā)射站狀態(tài)信息的及時(shí)性和數(shù)據(jù)傳送的流暢性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上位機(jī)與電控箱內(nèi)的無線模塊成功進(jìn)行WIFI組網(wǎng)連接[5]后，無線通訊控制主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：一是通過無線發(fā)送相應(yīng)指令到電控箱，進(jìn)而控制測(cè)量發(fā)射站達(dá)到上電自動(dòng)啟動(dòng)和斷電前自動(dòng)關(guān)機(jī)；二是根據(jù)用戶需求讀取發(fā)射站ID及相應(yīng)結(jié)構(gòu)參量，在組網(wǎng)定向時(shí)提供配置依據(jù)；三是遠(yuǎn)程發(fā)送測(cè)速指令，監(jiān)測(cè)或變更測(cè)量發(fā)射站旋轉(zhuǎn)速度。

3.1 無線開關(guān)機(jī)與讀取內(nèi)參量實(shí)驗(yàn)

通過無線聯(lián)網(wǎng)(由圖11可知通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，已成功將控制電路板設(shè)置為STA并成功連接)后，電源控制箱遠(yuǎn)程先后發(fā)送：開機(jī)指令、監(jiān)測(cè)發(fā)射站內(nèi)參量指令、關(guān)機(jī)指令。數(shù)據(jù)反饋如圖11，可知測(cè)量發(fā)射站先后反饋的“開機(jī)指令已發(fā)送”、8個(gè)內(nèi)參量和“關(guān)機(jī)指令已發(fā)送”，與預(yù)期結(jié)果沒有偏差，內(nèi)參量驗(yàn)證無誤。

圖11 無線組網(wǎng)測(cè)量圖

3.2 無線測(cè)速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)將測(cè)量發(fā)射站上電后加速度設(shè)置為10 r/s2，發(fā)射站目標(biāo)速度為1 850 r/m。電控箱與測(cè)量發(fā)射站無線組網(wǎng)后，通過WIFI重復(fù)發(fā)送1 000次測(cè)速指令，讀取的速度數(shù)據(jù)取其中990～1 130 r/m部分如圖12所示。單次測(cè)量耗時(shí)為25 ms，重復(fù)發(fā)送指令間隔已設(shè)置為600 ms，即測(cè)量出一次速度數(shù)據(jù)時(shí)間約為25 ms+600 ms=625 ms。由990 r/m增加到1 130 r/m理論耗時(shí)約為(1 130 r/m－990 r/m)/10 r/s2=14 s。圖12中數(shù)據(jù)量為22個(gè)，即測(cè)量耗時(shí)約為625 ms×22=13.75 s，與理論耗時(shí)基本一致，無數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，且測(cè)量數(shù)據(jù)均單次單行顯示，無數(shù)據(jù)堵塞或延遲發(fā)送現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正常。

圖12 無線組網(wǎng)測(cè)速圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種帶有無線功能的新型電源控制箱對(duì)wMPS測(cè)量系統(tǒng)中的發(fā)射站進(jìn)行供電，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在通訊協(xié)議的支持下，電源控制箱通過無線聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量發(fā)射站的遠(yuǎn)程控制和對(duì)測(cè)量發(fā)射站內(nèi)參量的讀取。新型電源控制箱改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定，配合完善的無線控制功能，目前已在沈陽飛機(jī)制造廠等大型工廠投入使用，效果良好，功能性和便攜性均明顯優(yōu)于原有電源箱，對(duì)wMPS測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的電源控制箱在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，為了提高系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，以后考慮在控制板內(nèi)植入嵌入式操作系統(tǒng)，如μC/OS-II、FreeRTOS等，其提供的任務(wù)調(diào)度機(jī)制能夠增強(qiáng)無線控制的協(xié)調(diào)性和及時(shí)性，并且便于裁剪和移植，能夠令電源控制箱的功能得到進(jìn)一步發(fā)揮。

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圖10 市電太陽能聯(lián)合供電

5 結(jié)論

本文利用單片機(jī)搭建了太陽能/市電聯(lián)合供電的LED照明系統(tǒng)。以太陽能作為主要能源，市電作為補(bǔ)充能源，最大限度地利用可再生能源，根據(jù)雙輸入Buck工作原理制定合理的控制方案保證兩路輸入源協(xié)調(diào)工作，負(fù)載穩(wěn)定工作，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案可行。

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New design of power supply controller in wMPS measuring system

A new power supply controller powering the indoor space measurement positioning system (wMPS)was designed.The optimization of the mechanical structure design can make it possible for the quick fixing up of the transmitting station.The wireless control was introduced to improve communication protocol.The new controller can accurately monitor the condition of the measurement system in real time.Based on the experiment，the remarkable improvement appears on both flexibility and portability of the system due to the new design. With the wireless features and strict communication protocol，the new power supply controller provides necessary technical support for the reliable operation of the measurement system.

power supply controller;communication protocol;wireless control;wMPS;condition monitoring

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0861-04

2015-09-12

國家“863”計(jì)劃(2012AA041205)

韓延?xùn)|(1989—)，男，河北省人，碩士，主要研究方向?yàn)閣MPS測(cè)量系統(tǒng)的電源控制箱設(shè)計(jì)。