基于Wi-Fi的材料測試機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

宋麗涵，倪霞林，何炳蔚

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州，350108)

0 引言

材料測試機(jī)是一種測試材料力學(xué)性能的儀器，通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行拉伸、壓縮等試驗來測試材料的力學(xué)性能。實現(xiàn)對材料測試機(jī)的力與位移的數(shù)據(jù)采集是對材料性能評估的前提。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多以單片機(jī)作為控制中心，再加上一些常用外圍電路來構(gòu)建系統(tǒng), 數(shù)據(jù)顯示也多是應(yīng)用數(shù)碼管瞬時記錄且近距離范圍內(nèi)應(yīng)用RS232/485或USB等通信方式直接上傳PC 機(jī)上供用戶參考。然而，用戶對數(shù)據(jù)監(jiān)控的距離、數(shù)據(jù)采集的速率及人機(jī)交互界面的要求越來越高，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已不能滿足用戶的需求。本文提出通過研制Wi-Fi無線數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與傳輸。本文首先介紹單節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集的基本結(jié)構(gòu)，再分別介紹Wi-Fi無線采集卡的研制、Wi-Fi與上位機(jī)的通信機(jī)制研究，再通過測試驗證系統(tǒng)的可行性。

1 單節(jié)點Wi-Fi無線數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

在眾多的無線通信技術(shù)中，Wi-Fi技術(shù)與GPRS通信技術(shù)、GSM短消息方式、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)相比，具有傳輸速度高，且可以和已有的各種802.n設(shè)備兼容，而且在無線局域網(wǎng)信號覆蓋范圍內(nèi)各個節(jié)點不受地理位置限制進(jìn)行隨意移動[1]。因而Wi-Fi應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集中具有極大的優(yōu)勢。

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?，可以把Wi-Fi用于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單個無線傳感器節(jié)點在無線采集系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單節(jié)點Wi-Fi無線數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

2 Wi-Fi無線采集整體架構(gòu)

2.1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號、傳感器、激勵器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件。對材料測試機(jī)而言，數(shù)據(jù)采集主要是對載荷信號與位移信號的采集[2]。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。無線數(shù)據(jù)采集卡主要涉及對主控制芯片的選擇、A/D電路設(shè)計、D/A電路設(shè)計。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)總體框圖

2.2 硬件系統(tǒng)選擇與設(shè)計

1) 主控制芯片的選擇

主控芯片采用ALTERA公司的MAXII CPLD芯片。MAX II CPLD完美的結(jié)合了邏輯密度、I/O和小外形封裝，靜態(tài)功耗降低了55%，非常適合低成本和低功耗應(yīng)用。主控芯片對無線模塊、AD 采集模塊和DA電壓驅(qū)動模塊進(jìn)行控制。采用CPLD，使用QuartusII軟件進(jìn)行設(shè)計與仿真，CPLD模塊設(shè)計采用Verilog硬件描述語言編程。采用芯片CY7C68013A與ALTERA CYCLONE II EP2C8Q208芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。板卡外擴(kuò)展2片ISSI61LV25616 SRAM存儲芯片。

2) AD采集模塊

傳感器采集到的信號經(jīng)過信號調(diào)理后，AD轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于后續(xù)處理。從精度、轉(zhuǎn)化速率等方面考慮，AD芯片選擇AD7705BR，該芯片是16位的AD轉(zhuǎn)換器，接收來自傳感器的輸入信號，采用∑-△技術(shù)實現(xiàn)16位無誤碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后輸出數(shù)字信號。采集模塊對載荷信號的采集是將力傳感器(荷重元)采集的信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行采集的。位移信號采集是光柵傳感器通過對編碼器的信號測量位移信號，經(jīng)過光電隔離電路之后實現(xiàn)采集的。

3) DA電壓驅(qū)動模塊

DA芯片采用TLC5615，是一塊10位轉(zhuǎn)換精度的DA轉(zhuǎn)換器，使用DIP(dual inline-pin package)封裝，可直接插接，用于實現(xiàn)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，CPLD負(fù)責(zé)控制該芯片。把數(shù)字信號通過該芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，通過改變電壓值來達(dá)到控制伺服電機(jī)的作用。DA部分是用來控制輸出電壓，進(jìn)而控制伺服電機(jī)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的。DA電壓驅(qū)動部分芯片選擇TLC5615，TLC5615是一塊10位轉(zhuǎn)換精度的DA轉(zhuǎn)換器，其成本適中，且芯片是使用DIP封裝，可直接插接，方便實驗調(diào)試。

4) Wi-Fi無線模塊

Wi-Fi無線模塊選用的是廣州e帆科技出廠的，是Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，其主芯片是HED05W01SA，通過串口與采集卡連接。通過無線模塊的雙排插針接口，可以把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中，使用的是Wi-Fi無線模塊的服務(wù)器的功能，同時使用基礎(chǔ)網(wǎng)的無線拓?fù)淠Ｊ健?/p>

系統(tǒng)硬件實物圖如圖3所示，其中一部分為數(shù)據(jù)采集卡，另一部分為Wi-Fi無線模塊。

圖3 無線數(shù)據(jù)采集硬件實物圖

3 Wi-Fi與上位機(jī)的通信機(jī)制

3.1 用戶協(xié)議

系統(tǒng)的用戶協(xié)議是用戶自己定義的協(xié)議，是固定不變的，不依賴于硬件的具體產(chǎn)品。在控制端，Wi-Fi模塊采用TCP數(shù)據(jù)格式。因此它也以TCP/IP作為底層通信協(xié)議。

TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議，TCP是TCP/IP傳輸層的協(xié)議，使用IP作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。從上述的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計中所知，為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控，無線網(wǎng)絡(luò)必須通過無線路由器與上位機(jī)通信，筆記本電腦有內(nèi)置的無線網(wǎng)卡，因而上位機(jī)采用筆記本。

3.2 終端協(xié)議

系統(tǒng)的終端協(xié)議在這里指采集卡與無線模塊之間的通信協(xié)議，其數(shù)據(jù)格式與通信方式由接口決定，這里通過UART轉(zhuǎn)Wi-Fi實現(xiàn)通信。

根據(jù)無線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及單節(jié)點無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，Wi-Fi無線模塊采用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，只需要一個無線路由器作為AP。透明傳輸模式讓模塊在入網(wǎng)后就自動與設(shè)定的服務(wù)器連接，通過預(yù)先設(shè)定服務(wù)器地址建立一個服務(wù)器偵聽，而且模塊在串口和網(wǎng)絡(luò)間相當(dāng)于透明。這樣可以使模塊在有無線網(wǎng)絡(luò)支持的環(huán)境中工作。

根據(jù)所在區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)的無線路由器(AP)設(shè)定模塊中無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)名稱(與無線路由器的網(wǎng)絡(luò)名稱相同)、IP地址(設(shè)置為192.168.1.100，與所在網(wǎng)絡(luò)為同一頻段)、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址等參數(shù)，這樣即可實現(xiàn)Wi-Fi無線模塊與采集卡的通信。

3.3 無線模塊與上位機(jī)軟件通信

LabVIEW支持TCP/IP協(xié)議，大大簡化了甚至免除了網(wǎng)絡(luò)通信編程，用戶使用這種技術(shù)可以很容易地實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的高速實時數(shù)據(jù)交換[3-4]。鑒于LabVIEW強(qiáng)大的功能及其相較于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件采用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計。

在傳輸程序中，要把IP地址設(shè)定為與無線模塊中的IP一致的IP地址才可實現(xiàn)無線模塊與LabVIEW程序的通信,同時作為上位機(jī)軟件LabVIEW所編寫的數(shù)據(jù)采集程序是作為客戶端實現(xiàn)與無線模塊通信。程序中，采用TCP節(jié)點來實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的局域網(wǎng)通信。TCP客戶端程序框圖如圖4所示，其中Port即為無線模塊的端口號，這里設(shè)置為999(可隨機(jī)設(shè)置)，Address即為無線模塊的IP地址，這里設(shè)置為192.168.1.100。

圖4 TCP客戶端程序框圖

為了使這個無線數(shù)據(jù)采集的軟件平臺的功能更加完整也更為實用，設(shè)計出數(shù)據(jù)采集軟件的體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中，用戶登錄模塊用于對用戶信息進(jìn)行驗證；數(shù)據(jù)采集模塊是最核心的功能，用于采集傳感器中的物理量，并通過無線模塊發(fā)送到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺；數(shù)據(jù)及曲線顯示模塊用于把采集到的數(shù)據(jù)用曲線顯示出來；數(shù)據(jù)存檔報表打印模塊方便用戶對數(shù)據(jù)的輸出處理；網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊實現(xiàn)的是把數(shù)據(jù)報表通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡渌刂朴嬎銠C(jī)進(jìn)行監(jiān)測。

圖5 采集軟件體系結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

把上述采用Wi-Fi通信的無線數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于材料測試機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集接收與監(jiān)測。使用過程中，測試機(jī)對材料進(jìn)行拉力試驗的步驟是：將材料兩端分別固定于測試機(jī)的夾具上，啟動測試機(jī)，使夾具向相反方向運動，當(dāng)軟件檢測到力量下降到最大力量的10%(此數(shù)值由用戶通過軟件設(shè)定)時，判斷為材料斷裂，同時自動發(fā)出機(jī)器停止指令。試驗所用材料是實驗室常用的導(dǎo)線。

如圖6所示是對相同材料進(jìn)行五次拉力試驗的波形圖，測試機(jī)的速度為100mm/min。五次試驗的曲線編號分別對應(yīng)五次試驗的五組數(shù)據(jù)，如表1所示。通過監(jiān)測軟件統(tǒng)計計算出五組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值。通過對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，一方面，從采集數(shù)據(jù)的角度來看，在使用相同性能材料的前提下，獲得的力的大小與位移的大小數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差都比較小，說明采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好。另一方面，因材料為同一性能的材料，通過獲得的數(shù)值可以對材料的韌性、彈性、可承受的最大拉伸力、及在什么位置容易斷裂力學(xué)性能做出評估。由此可見軟件能很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的波形顯示，數(shù)據(jù)運算等功能。

同時，可以通過網(wǎng)絡(luò)在其他監(jiān)測計算機(jī)上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)報表的接收監(jiān)測。

圖6 五次試驗曲線

力量點對應(yīng)位移/mm,最大力量位移/mm最大力量/(N)最大力量延伸率/(%)力量點延伸率率(%)11.7621.9881.8333.822.7121.4623.8881.43836.732.2531.5822.8381.53635.122.4341.8220.9589.6732.232.8051.6721.8981.63433.682.57平均值1.6622.3183.234.322.55標(biāo)準(zhǔn)差0.141.103.6261.690.22最大值1.8223.8881.8336.732.80最小值1.4620.8981.43832.232.25

5 結(jié)論

通過研制采集卡并使用無線模塊組成硬件采集系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)對材料測試機(jī)的無線Wi-Fi數(shù)據(jù)采集，并通過LabVIEW軟件編制了一個無線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了Wi-Fi與LabVIEW上位機(jī)的通信。系統(tǒng)測試表明，客戶端能可靠地接收到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)具有很好的一致性。對于多點數(shù)據(jù)采集情況下或者在無法布線的危險環(huán)境中，這種通過Wi-Fi通信的無線數(shù)據(jù)采集方式的優(yōu)勢顯而易見，值得借鑒。

[1] 周飛菲.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2007，22(1)：114-124.

[2] 沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，1995.

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