基于Internet傳動方案實驗平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

李斌 蒙運紅 袁楚明

【摘要】傳動方案實驗中，傳感器數(shù)據(jù)傳輸依賴有線介質，難以實現(xiàn)設備網絡化和智能化。為此，研制一套網絡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了wifi芯片，繼電器，AD轉換芯片以及微控制器實現(xiàn)網絡化的數(shù)據(jù)采集功能，可以通過網絡實現(xiàn)對該實驗平臺上的實驗電動機的控制，且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時向遠程PC上報采集到的傳感器數(shù)據(jù)。該設計體現(xiàn)了物聯(lián)網思維，真正實現(xiàn)了實驗設備的網絡化，智能化。

【關鍵詞】傳感器;wifi;AD轉換

【基金項目】華中科技大學教改基金基于“主動實踐”教學方法的《計算機基礎與程序設計》課程改革（項目編號：2017032）;華中科技大學2018年實驗技術立項（項目編號：2018082）

1. 引言

機械設計是機械類各專業(yè)學生必修的一門主干專業(yè)技術基礎課。它既有系統(tǒng)完備的理論，又有很強的實踐性。機械傳動方案實驗是其實踐教學的重要內容之一，是學生驗證課堂所學理論的重要手段，是理論聯(lián)系實際的不可或缺的環(huán)節(jié)， 因此實驗教學肩負著兩大任務：培養(yǎng)學生的科學實驗能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才;提高學生實際動手操作能力。

我們目前采用的傳動方案平臺存在以下問題：電機功率很大，工業(yè)級三相交流電機，功率達數(shù)千瓦;零部件尺寸過大、難以推動操作;轉矩轉速傳感器數(shù)據(jù)采集由供應商提供，它只能提供基本轉矩、轉速等數(shù)據(jù)轉矩傳感器需要有校準零點功能，使得測試數(shù)據(jù)準確系統(tǒng)還需要進行功率、效率計算等功能維護不便，一旦采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，只得求助于供應商。

基于以上原因，我們決定自行開發(fā)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。使得不但能采集轉矩轉速等數(shù)據(jù)，而且能夠進行校準數(shù)據(jù)，而且能夠分析計算采集數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)由我們自行開發(fā)，維護工作也會更加方便快捷，并利用互聯(lián)網技術，遠程進行模擬實驗，方便學生預習，提高實驗效率。

2. 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

傳動方案實驗平臺，除機械部分外，包含兩個部分：工作臺的測試系統(tǒng)和云端數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，本文對兩個系統(tǒng)進行了研制。

2.1 工作臺的測試系統(tǒng)（圖1）

測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)、加載系統(tǒng)兩大部分構成。傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機構成數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的硬件部分;磁粉制動器、加載控制器和計算機（或手動加載控制）構成加載系統(tǒng)的硬件部分;編制相應的控制、采集、測試、分析軟件構成整個測試系統(tǒng)的軟件部分。

測試系統(tǒng)的加載控制方式：設定的所需電壓、電流，加載到磁粉制動器進行加載，同時將通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡得到的轉速、轉矩與設定值比較修正，從而實現(xiàn)了計算機的閉環(huán)控制。整個試驗臺就可由計算機完成自動加載以及轉速、轉矩等測試數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示任務。

測試系統(tǒng)的軟件是建立在平臺上，用C#語言編制而成，軟件具有以下功能：轉速、轉矩數(shù)據(jù)的自動采集;轉速、轉矩及效率曲線的自動生成;圖形的自動繪制;數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)文件的保存等。整個測試系統(tǒng)能滿足不同的方案組合的測試要求，同時可以云端傳送和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程操控。操作界面直觀明了，人機交互性強。

2.2 云端數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

針對小型傳動實驗平臺，我們研制了高性價比的網絡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成了wifi芯片，繼電器，AD轉換芯片以及微控制器實現(xiàn)網絡化的數(shù)據(jù)采集功能，該采集系統(tǒng)可以通過網絡實現(xiàn)對該實驗平臺上的實驗電動機的控制，且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時向遠程PC上報采集到的傳感器數(shù)據(jù)。該設計體現(xiàn)了物聯(lián)網思維，真正實現(xiàn)了實驗設備的網絡化，智能化。

如圖2所示，云服務器連接了數(shù)據(jù)采集卡端和PC端，主要負責兩個終端間的數(shù)據(jù)轉發(fā)，可以完全實現(xiàn)對該傳動平臺的遠程操作和監(jiān)視。該數(shù)據(jù)采集卡采用市電直接進行電源供應，通過控制繼電器的開啟和閉合來實現(xiàn)對電動機啟動和停止的控制。電動機開啟后，轉速轉矩傳感器輸出的4路轉速轉矩模擬信號直接輸入到數(shù)據(jù)采集卡的AD轉換芯片，AD轉換芯片負責對傳感器的模擬信號進行采樣和量化后轉化為數(shù)字信號進行存儲。上電后，數(shù)據(jù)采集卡將自動連接可用wifi，并連接至云端服務器，對TCP端口保持監(jiān)聽，一旦接收到來自服務器的數(shù)據(jù)請求，可以立刻對服務器的數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)指令對實驗平臺進行相應控制動作或將數(shù)據(jù)上傳至服務器，具有很強的實時性。

如果網絡數(shù)據(jù)采集卡到達一個新的環(huán)境，沒有保存過可用wifi，數(shù)據(jù)采卡將自動建立wifi熱點，使用手機或電腦連接數(shù)據(jù)采集卡的熱點，即可通過網頁訪問到數(shù)據(jù)采集卡的wifi管理頁面，頁面將顯示數(shù)據(jù)采集卡當前可掃描到的wifi信號，通過網頁可以直接對數(shù)據(jù)采集卡的連接的默認wifi進行配置，使用方便。

3.結束語

隨著近年來技術的發(fā)展，精度更高、體積更小的傳感器、wifi芯片的廣泛普及應用，我們研制了基于Internet傳動方案實驗平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并集成于小型化機械傳動方案試驗臺。試驗臺采用開放式結構，布局緊湊占地面積小、調整更加方便靈活，已經在用于本科生實驗課程中，可實現(xiàn)遠程網絡操控實驗，提高效率，更好地滿足學生實驗要求。

部分程序由正在學習《計算機基礎與程序設計》課程本科生開發(fā)，有利于學生“主動實踐”，取得較好效果。

參考文獻：

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[4]袁楚明，李斌，劉競.面向工科專業(yè)的計算機網絡課程體系設計研究，教育教學論壇，2018，1（3）：187-188

作者簡介： 李斌 華中科技大學機械學院 高級工程師，博士。