基于跳頻機制的沖床遠程監視系統

于 瑋，管圖華

（南通大學 工程訓練中心，南通 226019）

0 引言

沖壓成形技術在制造業中占有重要地位，特別是在汽車、船舶、航空等領域有著廣泛的應用[1]。隨著生產規模的不斷擴大，企業對自動化檢測設備提出了新的要求。市面上的沖床檢測裝置大多功能單一、價格昂貴，并且遠程監控比較困難。針對上述問題，本文介紹了一種具有無線通信功能的沖床遠程監視系統。

1 系統整體結構

沖床遠程監視系統主要包括沖壓檢測與信息上傳兩個部分，其工作原理如圖1所示。料帶由輥式機構向前傳送，電機M1控制放料，放料速度由緩沖區的上下限觸點調節，料帶經跑偏檢測再送入模具內完成沖壓，一旦檢測到模內殘余物料則發出警報。加工后的成型件從滑槽送出，余料被自動收卷（電機M3驅動），收料速度的控制過程與放料類似。加工過程中，安全距離檢測器持續工作，以防過分靠近而導致機械傷人。所有警報均會觸發沖床緊急制動。一個周期內所有狀態收集完成后，數據通過射頻收發器無線傳輸至終端主機，交由管理員處理。無線通信技術在工業現場的合理應用有利于提高生產效率。

2 系統硬件設計

本系統監視的沖床狀態信息類型雖然以開關量為主，但任務較多，包括系統的協調管理、檢測電路的信息處理、通信模塊的配置等，故選用16位低功耗單片機MSP430F155作為主控芯片。送料、收料電機均由驅動器控制，當料帶行進放緩致使自身拱起與上下限金屬觸點接觸時形成導通回路，從而觸發電機動作。安全距離檢測的核心是多個紅外線光電開關，可以根據防護等級調整其安置的密集程度。料帶兩端夾有帶滾輪的限位開關，用于跑偏檢測，便于及時發現加工過程中料帶畸變。飛輪轉速測量與落料計數共用一個檢測單元，采用CS3040型霍爾傳感器來檢測預先安裝在沖床飛輪上的小型磁鋼，傳感器將接收到的磁場強弱變化轉化為電信號，通過電路放大、整形后，將脈沖信號送入單片機進行數據處理。

圖1 沖床遠程監視系統工作原理

模內殘余物料檢測作為沖壓檢測中的重要一環，可以有效降低次品率。檢測原理如圖2所示，在下模側面安裝一個檢測距離在1.5mm內的歐姆龍接近開關，上模的相應位置安裝一個用于檢測的角鐵，以確保開關在模具閉合的瞬間動作。若模內有余料，則模具閉合時，接近開關與上模角鐵之間的距離大于其檢測距離，此時開關不動作，如圖2（b）所示。為了配合模具至下死點時的檢測，在模具的另一側垂直方向上又安裝了兩個CHE12-4PA-A710型接近開關，如圖2（a）所示，當上模到達上死點時，側面的兩個接近開關均不工作；隨著上模逐步下壓，上面的S2傳感器先檢測到模具的到來，之后檢測出兩個傳感器同時動作；反之，在上模抬起過程中，下面的S3接近開關先復位，上面的后復位，據此可以判別沖模何時上行何時下壓。在上模下壓過程中，當側面兩個限位開關同時動作時，開始判別模具內是否存在殘余物料，若此時S1動作，則沖壓正常，反正，說明模內存在廢料，需停機清理。對于其他外圍檢測電路而言，沖床的所有狀態均通過指示燈指示，一旦系統發現故障，則通過繼電器控制沖床緊急制動。

圖2 模內殘余物料檢測原理

所有信息采集完畢以后，需通過無線的方式向監控主機上傳。工廠的生產車間往往伴隨著諸多電磁干擾，這對于無線通信的穩定性提出了更高要求。將跳頻機制融入通信過程，能有效改善通信質量。一方面，跳頻通信是根據設定的頻率列表進行頻移鍵控，中途截獲較為困難；另一方面，即便部分的工作頻點受到干擾，系統還可以跳入其余未受干擾的頻點繼續通信[2]。

采用高度集成的nRF905射頻收發器進行通信，其外接電路少，資源配置方便，并可以在433/868/915MHz這三個ISM頻段內工作，支持動態載波頻率設置，為跳頻通信提供了硬件基礎。綜合天線等因素，將基準設定為433MHz頻段，通過巴倫電路對nRF905的差分輸出端特性進行調節，并與高增益單端天線連接。部分硬件功能采用軟件方法實現，以簡化電路設計，便于系統升級。

3 系統軟件設計

3.1 點對點無線傳輸

點對點傳輸是建立無線通信的基礎，本系統的通信核心是nRF905射頻收發器。無線傳輸之前，單片機通過SPI接口對nRF905的內部寄存器進行配置，同時改變PWR_UP、TRX_CE和TX_EN這3個引腳的高低電位來選擇芯片的工作模式。在無線傳輸過程中，單片機通過nRF905的CD、AM、DR這三個引腳，分別進行載波偵聽、地址匹配、數據就緒的檢測工作。nRF905內部集成了用于曼徹斯特編/解碼的硬件電路，因此在無線收發過程中，省去了繁瑣的軟件編程，控制器效率大幅提高。點對點收發一幀數據的流程如圖3所示。

圖3 點對點收發一幀數據的流程圖

如圖3（a）所示，一幀數據的發送流程可描述為：單片機通過SPI總線將目標地址和待傳數據寫入nRF905的發送寄存器；隨后將TRX_CE和TX_EN兩個引腳置位，激活芯片的發送模式，以完成信息打包與發送；在此之后若查詢到DR引腳被置位，則表示發送成功，若寄存器中的重發位被置位，芯片將自動重發，直到TRX_CE引腳狀態變為低電平時才結束發送；傳完一幀數據后，nRF905進入待機模式，等待下一個喚醒指令。

圖3（b）是一幀數據的接收流程，nRF905在接收模式下偵聽信道，若監聽到的載波信號相符且地址有效，則CD和AM引腳的電位被置高，進而開始接收數據。若信息校驗無誤，則片內硬件將自動刪除數據包的前導碼、校驗碼等信息，并在待機模式下通知單片機讀取數據。

3.2 跳頻機制下的通信網絡協議

研究點對點無線傳輸的最終目標是組成射頻網絡，便于設備的集中監視和管理。本系統設計了4個源節點和1個目標節點，源節點安裝在對應的沖床上用于檢測狀態信息并向目標節點無線發送，目標節點以輪詢的方式接收源節點發來的數據，并通過RS232串行總線匯總到監控主機的數據庫中，這樣就形成了一個星型網路。

3.2.1 通信頻段的設定

利用nRF905射頻芯片實現跳頻，需要對射頻配置寄存器中CH_NO和HFREQ_PLL這兩個變量的數值進行修改，當前工作頻率的計算公式為[3]：

其中，HFREQ_PLL為頻率設置位，置0表示模塊工作于433MHz頻段，置1表示模塊工作于868/915MHz頻段。通道號CH_NO的數值產生于0~511之間，即相鄰頻道間的頻差為100kHz。本系統的頻率設置位為0，即工作于433MHz頻段，因此可以在422.4MHz～473.5MHz頻段范圍內實現跳頻。以5MHz為間距，將423MHz~443MHz頻率范圍劃分為5個通信信道，并將423MHz頻道專門用于通信雙方“握手”的實現，其余4個頻道傳輸數據。

3.2.2 幀格式的定義

為了避免信道堵塞，采用RTS/CTS握手協議[4]，相應地將信道劃分成握手信道與數據信道，命令幀RTS與CTS在握手信道傳輸，數據幀DATA與反饋幀ACK在數據信道傳輸。通信開始前都要先預約信道，當目標節點返回應答信號ACK后，再繼續傳輸數據，若對方無應答，則取消本次會話。

系統設定的數據幀格式如表1所示，前導碼及校驗碼由硬件產生，以甄別數據完整性。ID號是4字節的地址信息，用于身份標識，幀類型與命令代碼用于區分幀的類別。與數據幀相比，命令幀中不包含數據信息，但增加了頻道選擇“CH_SEL”字段，用于頻率跳轉，同時保證通信節點彼此間的頻率同步。

表1 系統設定的數據幀格式

3.2.3 握手協議的實現

通信開始前，各射頻源節點在握手頻道上保持監聽，競爭信道使用權，若出現空閑信道，便開始向目標節點發送RTS命令幀，請求發送信息。目標節點收到請求后，向源節點發送CTS命令幀，允許對方發送，同時跳轉進入對方請求的數據信道，等待數據的到來。當源節點確認收到CTS幀后，切換至相同的數據信道，開始向目標節點傳輸數據；若源節點未收到CTS幀，則返回握手信道，延遲后重新發送會話請求。完成接收后，目標節點返回確認信號ACK。若源節點收到應答幀，則進入休眠狀態，本次會話結束；若源節點未收到應答，且累計重發次數未達5次，則重新發送該幀數據；若重發次數達到5次，則修改頻道選擇位CH_SEL的數值，嘗試在下一頻道傳輸數據。源節點與目標節點跳頻流程如圖4所示。

圖4 跳頻流程圖

圖4中，頻道選擇位CH_SEL的數值按照通信頻段的高低順序循環交替，跳轉到最高頻點再跳變一次將回到最低頻點，該動態過程可表述為：428M Hz→433MHz→438MHz→443MHz→428MHz。因為跳頻表中相鄰頻點的間隔為5MHz，所以信道在跳轉以后與干擾頻點的最大間距可以達到15MHz。在沒有人為干擾的情況下，工業噪聲往往僅存在于某些特定的頻點，以上4個通信頻段中均存在較大噪音的可能性較小，因此這種跳頻機制有較強的抗干擾能力。

4 試驗與分析

啟動由LabVIEW8.6編寫的上位機界面，可以同時監視4臺沖床的工作狀態。試驗過程中，1號沖床正常運行，2號沖床運行時用紙板靠近其左側，3號沖床模擬料帶卷曲畸變的情況，4號監視窗口關閉。監視界面如圖5所示，顯示窗口中的檢測信息、報警次數、落料個數均一目了然。報警信息還將存入SQL Server 2005數據庫，以便后續對沖床性能作進一步評估。

圖5 上位機監視界面

該沖床無線監測系統的網絡拓撲結構屬于星型結構，其整體性能和覆蓋范圍受到點到點之間通信質量及通信距離的影響。在空地中相隔40m處進行兩點間的收發測試，分別進行跳頻數據傳輸和定頻數據傳輸，中點處放置一個用其他源節點改造的干擾源，發射功率10mW，工作頻率為433MHz。結果顯示，在干擾源關閉的情況下，兩種通信方式的平均誤碼率都維持在0.03%；啟動干擾源后，跳頻通信的誤碼率依然不到0.04%，浮動較小，而定頻傳輸的誤碼率已經升至0.67%。一旦提高干擾源的發射功率，跳頻通信的優勢將更加明顯。

對于節點間的通信距離而言，一般認為與電磁波傳播損耗、工作頻率等因素有關[5]。自由空間中，無線電波傳輸的經驗公式如下：

式中Los代表傳播損耗，d為傳播距離，f為工作頻率。已知nRF905的最大發射功率為+10dBm，接收靈敏度為-100dBm，取外界干擾引起的平均損耗值25dB，則求得通信距離為980m。根據之前的試驗，同樣僅啟動一個源節點和一個目標節點，測得的有效通信距離約200m。之所以與估算結果有較大差距，是因為針對特定的天線，射頻電路僅在固定頻率體現出最佳性能，即在該頻點處發生諧振。由于跳頻系統涉及到多個頻點，必然會在一定程度上犧牲通信距離，這正是權衡通信質量與通信距離兩者之后折中的結果。

5 結束語

本文結合nRF905射頻芯片的硬件特點，提出了一種低成本的跳頻解決方案，并將其成功運用于沖壓生產的自動化檢測領域。不僅節約了企業的人力資源和布線成本，還提升的加工過程中的監管效率。測試結果表明，采用跳頻策略，可以有效的繞開干擾頻率，保證了高質量的數據通信，可以滿足企業生產車間的使用需求。該系統已經與南通嘉和機電有限公司達成初步合作意向，其中的設計思路對于其他機械加工的生產領域也有一定的參考價值。

[1]高顯宏,于保敏.沖壓成型工藝與模具設計[M].上海:上海交通大學出版社,2011,6.

[2]李新超,李繼凱.基于跳頻通信的汽車智能防盜器設計[J].信息與電子工程,2010(1):118-122.

[3]楊海粟.基于nRF905的無線傳感網絡硬件平臺的設計與實現[D].燕山大學,2010,5.

[4]Cano C., Bellalta B., Cisneros A.& Oliver M.Quantitative analysis of the hidden terminal problem in preamble sampling WSNs[J].Ad Hoc Networks, 2012,10(1):19-36.

[5]金保華,張勇,崔光照.基于nRF905的無線數據多點跳傳通信系統[J].儀表技術與傳感器,2004(9):39-40.