發(fā)布時間：2015-02-09 10:47

　　摘 要： 為優(yōu)化數(shù)控加工過程中切削及進(jìn)給速度，以測量數(shù)控機(jī)床主軸及進(jìn)給軸電機(jī)電流為目標(biāo)，設(shè)計研制了一套基于ARM及藍(lán)牙技術(shù)的無線電流采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以基于ARM?M3的嵌入式微控制器和基于CSR BC04的藍(lán)牙模塊為核心，重點研究了使用ARM進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集的嵌入式應(yīng)用以及采用HCI UART的藍(lán)牙無線通信方式。試驗結(jié)果表明系統(tǒng)軟硬件工作正常，可同時測量4路交直流電流，單路采樣頻率最高可達(dá)720 Hz，，具備一定的抗干擾能力，能夠滿足數(shù)控加工過程中電流采集任務(wù)的要求。

　　關(guān)鍵詞： 藍(lán)牙； ARM； 數(shù)據(jù)采集； 無線通信

　　中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0113?03

　　Abstract： In order to optimize the cutting and feed speed of the NC machining process， a wireless current acquisition system based on ARM and bluetooth technique was developed to detect the current of the main spindle and feed shaft motor on CNC. The embedded microcomputer based on ARM?M3and Bluetooth module based on CSR BC04 are taken as cores of this system. The embedded mode for executing multi?channel data acquisition by ARM and HCI UART based bluetooth wireless communication mode are mainly discussed. The experimental result proves that the software and hardware work well， can meet the requirements of the current acquisition in the machining procedure， and can measure four?channel AC/DC current signals at the same time. The system possesses a certain anti?interference capability. Its single channel sampling frequency is up to 720 Hz.
　　Keywords： bluetooth； ARM； data acquisition； wireless communication
　　0 引 言
　　隨著制造業(yè)規(guī)模的增大數(shù)控加工已成為當(dāng)今主流的加工方法。為提高加工效率、保證工件質(zhì)量，對加工過程中反映機(jī)床狀態(tài)的信號進(jìn)行監(jiān)測很有必要。電流信號揭示機(jī)床電機(jī)功率信息，可在一定程度上反映負(fù)載狀況，如切削負(fù)載與主軸功率存在著對應(yīng)關(guān)系。以色列OMATIVE公司的ACM產(chǎn)品通過監(jiān)測主軸電流對切削過程的主軸負(fù)載進(jìn)行檢測，并將每一步走刀的進(jìn)給速率自動調(diào)節(jié)到最合適的數(shù)值，在保護(hù)刀具、主軸的同時縮短加工周期�？梢钥闯�，設(shè)計一套數(shù)控機(jī)床電機(jī)電流采集系統(tǒng)對數(shù)控加工很有必要。由于機(jī)床環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的有線方式有布線困難、拆裝繁瑣等缺陷，因此采用無線技術(shù)。
　　無線采集技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在布線復(fù)雜并需要反復(fù)拆裝被測設(shè)備和測試設(shè)備之間連線的場合，使用無線技術(shù)可以降低工作的復(fù)雜程度，節(jié)約大量的時間，提高信號采集的工作效率。藍(lán)牙技術(shù)是一種近距離無線電通信標(biāo)準(zhǔn)，支持單點對單點和一點對多點的無線通信。在采集設(shè)備中，使用藍(lán)牙可以取代采集裝置與被測設(shè)備的電纜連接，縮短安裝時間，提高效率。此外，藍(lán)牙采用快速跳頻技術(shù)，連接鏈路穩(wěn)定，抗干擾能力強，并且可以用單芯片實現(xiàn)，體積、功耗較小，因此適用于工業(yè)無線采集。
　　本文針對數(shù)控機(jī)床多路電流信號測量，提出一種基于ARM和藍(lán)牙技術(shù)的無線采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。
　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)硬件分為采集模塊和傳輸模塊兩個部分。采集模塊主要負(fù)責(zé)從數(shù)控機(jī)床主軸及進(jìn)給軸電機(jī)上測得電流并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸模塊負(fù)責(zé)將得到的數(shù)字信號發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行負(fù)載分析。系統(tǒng)的硬件圖見圖1。
　　1.1 傳感器及芯片選擇
　　1.1.1 電流傳感器的選擇
　　電流信號的測量一般選用霍爾電流傳感器，它具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點 。為實際安裝方便，系統(tǒng)采用開啟式霍爾電流傳感器，型號為WBI412LY05?25。該產(chǎn)品采用電磁原理，對電網(wǎng)中的交直流電流進(jìn)行實時測量，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，具有過載能力強、高隔離等特點，產(chǎn)品如圖2所示。
　　1.1.2 藍(lán)牙模塊的選擇
　　傳輸模塊使用的藍(lán)牙芯片是已經(jīng)商品化的藍(lán)牙模塊，其核心是CSR公司的BlueCore04藍(lán)牙芯片，它與外圍器件一起構(gòu)成藍(lán)牙模塊，型號為HC?06。該模塊體積較小，提供UART和USB接口，工作模式分為AF指令模式和透明傳輸模式。模塊用于實際數(shù)據(jù)采集前需用AF指令集對模塊進(jìn)行預(yù)設(shè)置（波特率、傳輸位、停止位等），實際使用過程中模塊處于透明傳輸模式，可完全看作串口處理。
　　1.1.3 微處理器的選擇
　　采集系統(tǒng)中的微處理器主要負(fù)責(zé)對采集過程進(jìn)行編程與控制，將采集到的信號A/D轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號，最終通過USART連接藍(lán)牙模塊將內(nèi)存中的數(shù)字信號傳輸至上位機(jī)進(jìn)行分析。由于藍(lán)牙模塊自帶UART模式，可直接與ARM單片機(jī)連接，上位機(jī)則需要單獨設(shè)置藍(lán)牙虛擬串口，工作時兩端建立連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　基于ARM?M3核心的微處理器具有運算速度快、體積小，功耗低、外圍接口資源豐富等優(yōu)點。采集系統(tǒng)使用以ARM?M3為核心的STM32?F106VE型單片機(jī)（TheOne103I）。

　　1.2 采集模塊
　　試驗時針對數(shù)控機(jī)床主軸以及三個進(jìn)給軸電機(jī)電流進(jìn)行采集，需要同時測量4路電流，由于電流變化緩慢，每路電流的采樣頻率定為10～100 Hz。STM32自帶16個外部信號源12位逐次比較型ADC通道，可將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。系統(tǒng)暫用4個普通引腳和1個GND引腳作為接收端連接傳感器的輸出端，獲取傳感器的輸出，如圖3所示。注意傳感器的輸出電壓大于ADC的轉(zhuǎn)換范圍，接線時需采用電阻分流。由于電流傳感器較為精密，輸出電壓相對穩(wěn)定，可在一定程度上對采集模塊進(jìn)行保護(hù)。
　　1.3 傳輸模塊
　　傳感器輸出的電壓信號經(jīng)由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)。藍(lán)牙模塊的供電由單片機(jī)完成，二者采用串口連接，接收端為上位計算機(jī)（自帶藍(lán)牙或藍(lán)牙適配器）。工作時首先需為上位機(jī)配置藍(lán)牙虛擬串口，繼而與單片機(jī)建立連接，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)的透明傳輸，過程示意如圖4所示。
　　STM32中的MAX 3232為電平轉(zhuǎn)換芯片，作用是將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 232電平，使得PC串口識別傳入信號，進(jìn)行透明傳輸。藍(lán)牙通信速度可達(dá)2 Mb/s，但需注意，由于藍(lán)牙模塊與單片機(jī)采用串口通信，所以實際的傳輸速度受該串口波特率限制，為計算機(jī)編程方便，設(shè)為115 200 b/s，按4通道、5位精度計算采樣速度，最高可達(dá)720 S/s，該速度可完全滿足機(jī)床電流信號的測量。
　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)的編程任務(wù)主要是電流值的計算以及數(shù)字信號的傳輸。電流信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換以及電阻分流后成為0～3.3 V的電壓信號，再經(jīng)過ADC成為ADC數(shù)字量，電流值的計算公式可按下式處理（50 A量程）：
　　[電流（A）=ADC數(shù)字量×503.3]
　　數(shù)據(jù)傳輸需要以下步驟：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括STM32串口及藍(lán)牙模塊，繼而判斷系統(tǒng)是否已開始采集，由于系統(tǒng)為實時采集，所以采集和傳輸任務(wù)是同時進(jìn)行的。數(shù)據(jù)傳輸開始的標(biāo)識是兩端建立串口連接，鏈路確定后便可進(jìn)行實際的數(shù)據(jù)收發(fā)，斷開連接相當(dāng)于停止采集。以上步驟如圖5所示。
　　注意，傳感器采集電流時是多路同時進(jìn)行的，單片機(jī)的ADC過程與之相同，由于無法改變傳感器的采樣頻率，所以ADC的頻率實際代表了系統(tǒng)采樣頻率。ADC的轉(zhuǎn)換時間與時鐘和采樣周期相關(guān)，試驗中的轉(zhuǎn)換時間可以用下式表示：
　　[Tconv（μs）=采樣周期+12.5時鐘頻率（MHz）]
　　編程時讓單片機(jī)始終按預(yù)設(shè)較高頻率進(jìn)行ADC，系統(tǒng)暫定的轉(zhuǎn)換時間為7.56 μs，運行時始終保持不變。若采集過程中需要改變采樣速度，可以通過改變數(shù)據(jù)傳輸速度的方式來實現(xiàn)。
　　另一個問題是雖然STM32同時獲得了4通道數(shù)字信號，但實際上單片機(jī)中與MAX 3232電平轉(zhuǎn)換芯片連接的串口只有一個，也就是說只有一個通道可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。為保證采集的正確性，在一個循環(huán)內(nèi)首先按順序?qū)⑼�次ADC獲取的數(shù)字信號存為一個字符串，將該字符串發(fā)送給上位機(jī)，接收端則根據(jù)每路數(shù)字信號的預(yù)設(shè)長度對字符串進(jìn)行解碼，從而實現(xiàn)發(fā)送、接收的配對，該方法也在一定程度上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密。
　　3 運行測試
　　設(shè)計完成后，對整套系統(tǒng)進(jìn)行測試。首先檢測硬件，用萬用表測量標(biāo)準(zhǔn)電流下傳感器的輸出電壓，利用RS 232在PC上對單片機(jī)的ADC功能進(jìn)行驗證。經(jīng)測試，傳感器和STM32 ADC均可正常使用。第二步檢測傳輸模塊是否工作正常，由于手機(jī)的藍(lán)牙功能大都穩(wěn)定可靠，所以使用手機(jī)測試系統(tǒng)的傳輸模塊。硬件連接后，下載軟件使系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字字符串，手機(jī)連接至單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，結(jié)果表明藍(lán)牙模塊通信正常。最后進(jìn)行電流采集試驗，上位機(jī)選用帶藍(lán)牙的筆記本電腦，4通道采集，接收界面如圖6所示。經(jīng)多次試驗，電流測量值幅值穩(wěn)定，表明系統(tǒng)軟硬件工作正常，可順利完成預(yù)設(shè)任務(wù)。
　　4 結(jié) 語
　　本課題基于藍(lán)牙技術(shù)對數(shù)控機(jī)床電流信號進(jìn)行無線采集，是近距離無線通信技術(shù)在數(shù)采領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。目前系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)多路電流信號的實時采集傳輸，但尚未在車間環(huán)境中進(jìn)行試驗，對于藍(lán)牙模塊在強電環(huán)境的抗干擾能力有待研究。本設(shè)計可以方便的通過PC監(jiān)測機(jī)床運行過程中的電流信號，進(jìn)一步可以考慮建立車間采集局域網(wǎng)，實現(xiàn)多機(jī)床聯(lián)合數(shù)據(jù)監(jiān)測分析等功能，這將在極大程度上節(jié)約成本、簡化操作。采集系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗驗證，設(shè)計較為可靠、軟硬件工作正常，具有一定的實用價值。

 

 

本文編號：13630