wMPS測量系統中的新型電源控制箱設計

韓延東，任永杰，楊學友

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

wMPS測量系統中的新型電源控制箱設計

韓延東，任永杰，楊學友

(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

設計了為室內空間測量定位系統(wMPS)供電的新型電源控制箱。該電源控制箱從機械結構上進行了優化，能夠實現工業現場的快速布站，同時引入無線控制功能，完善了通訊協議，可以及時準確監控測量系統的運行狀態。實驗結果表明，該設計大大提高了測量系統的便攜靈活性，并可通過無線功能配套相關協議，實時監控測量系統狀態，為測量系統的可靠運行提供必要的技術保障。

電源控制箱；通訊協議；無線控制；wMPS；狀態監測

基于角度交會的網絡布站式測量系統(wMPS)已廣泛應用在多種工業測量領域，系統內可靠穩定的供電裝置是準確測量的基礎。電源箱需要持續穩定的對wMPS系統內的測量發射站進行供電，測量發射站才能發射出掃描光，構建掃描區域，獲得待測點信息。wMPS測量系統現場布局如圖1所示。

圖1 wMPS測量系統現場布局圖

由圖1可知，每臺發射站均配備一個電源箱，箱體內部安放有電源轉換模塊，將220 V交流電轉換成24 V直流電給發射站供電。原有電源箱箱體笨重，且需要較長外部接線才能保證發射站安放在三腳架上，在工業現場很容易被工人誤碰或碾壓，而且該測量系統為多站式的網絡測量系統，原有電源箱功能單一，制約了測量系統效能的發揮，因而有必要重新設計電源控制箱，以下簡稱“電控箱”。本文設計的電控箱在箱體機械結構上進行了改良，極大減小體積，同時使電控箱可以安放在三腳架上，同時頂部牢固承載發射站，實現供電測量一體化。箱體內安放了具備無線功能的控制單元，并對通訊協議進行了優化，可以安全有效地承擔部分測量與監測工作。新舊電源箱對比圖如圖2所示。

圖2 新舊電源箱對比

1 硬件設計

1.1 整體結構設計

電控箱內部加入的控制板是整個新型供電裝置的關鍵。每臺測量發射站均配備一個電控箱，兩者之間通過短線纜連接，線纜內部包含供電線纜和RS485通訊線纜，選用RS485線纜是因為其抗干擾能力強、傳輸速率高。控制板選用ARM7芯片LPC2103作為CPU，UART作為通訊接口，同時加入串口無線模塊USR-WIFI232-B，并編寫相關通訊協議，實現發射基站單元的遠程控制和組網。箱體內部控制板功能布局圖及實物圖如圖3所示。

圖3 電路板布局圖及實物圖

1.2 電子開關設計

測量系統測量過程中，測量發射站會重復“啟動-運行-停止”的過程。新型電控箱在控制板上引入MOS電子開關[1]。本文設計時選用的是IRF9393TRPbF，導通電壓要求小于－2.4 V，－與導通電阻關系如圖4所示。

圖4 －與關系圖

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，放大倍數為10，傳輸控制信號令－在6～8 V之間，由圖4可知，在10～20 mΩ。根據，電子開關工作時消耗功率為=0.4 A×0.4 A×20 mΩ= 3.2 mW，即可以在不影響系統整體功率的同時準確實現供電的開斷，相比原有電源箱的硬性開斷電方式，對提高發射站的使用壽命、優化測量系統有顯著效果。啟動和停止流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 開機流程圖

圖6 關機流程圖

2 軟件設計

2.1 無線組網配置

帶有無線功能的電控箱能夠協助構建網絡式測量布局[2]，現場測量布局如圖7所示。利用電控箱的無線功能將控制板配置成一個無線工作站(STA)進行組網，即選取無線模塊為無線網絡終端。模塊支持在聯網過程中綁定目的網絡的BSSID功能。根據802.11協議規定，不同的無線網絡可以有相同的網絡名稱，但是必須對應唯一的BSSID地址(即MAC地址)。通過BSSID地址綁定，可以防止STA接入到非法網絡上，提高了無線網絡通訊的安全性。

圖7 無線測量網絡布局圖

測量現場實際操控時，測量人員在PC機通訊軟件中將PC機設置為TCP Client，以當前計算機IP(不同電腦會有不同IP)10.10.100.101，對應服務器IP10.10.100.254，WIFI連接成功后，PC機對端口號“8899”服務器端口進行監聽，達到無線通訊效果。每臺PC機會有固定唯一IP，保證了無線通訊的可靠性和安全性。

2.2 通信協議校驗優化設計

在工業現場內進行測量，測量網絡內設備之間的通訊需要通訊協議，以使測量發射站與電控箱之間可以安全地進行“交流”。通訊協議保證了讀取的測量發射站速度、內參量等數據的準確性，并為控制指令的傳輸提供保護。為了提高通訊過程的抗干擾性，在通訊協議中加入了CRC校驗[3]，并對校驗過程進行了改進優化。

CRC全名為循環冗余校驗，一般用在通信領域來實現差錯控制，本文采用CRC16-CCITT校驗方式。若數據信息長度為位，校驗字段為位，則發送端發送數據代碼總長為位。在接收端，根據信息碼和CRC碼之間遵循的規則進行檢驗來確保傳送正常，這個規則即為“生成多項式”。CRC16-CCITT的生成多項式為：

本通訊協議中為了保證測量數據回傳的及時性，對普通的CRC校驗進行了改進。根據XOR除法的交換律，有：

圖8 帶有CRC校驗的指令結構圖

其中“OpCode”為協議雙方協定好的幀頭命令，“len-1”中“Len”為發送數據的字節長度，“DATA”為需要發送的數據，“CRC”為根據生成多項式計算出的校驗碼。電控箱與發射站之間的校驗通訊應答流程圖如圖9所示。

圖9 電控箱與發射站通訊應答流程圖

本通訊協議指令中指出了消息長度，沒有采用結束標志的方式，目的在于防止產生以下幾種差錯：消息之前額外增加1個或多個0；消息以1個或多個連續0字節開始，丟掉1個或多個0；消息之后額外增加1個或多個0；消息以1個或多個連續的0字節結尾，丟掉1個或多個0。以上差錯在不指定通訊指令長度時會高頻率產生，并且很難檢測排除，主要原因在于寄存器值為0時，處理0消息字節，寄存器值不變。

為了解決以上問題，本文對CRC16-CCITT校驗程序進行了優化。針對前兩個問題，在程序中進行如下修改(下劃線部分為修改處)：

通過對crc-reg進行右移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。

針對后兩個問題，在 CRC16-CCITT標準中，令reg-init=0xffff，然后與計算出的校驗碼進行“亦或”運算，可以解決后兩種差錯，方案如下：

2.3 測量系統狀態監測與響應

通訊過程有通訊協議及CRC校驗，保證了數據的準確性，因此電控箱內CPU芯片接收到反饋數據后，根據初始設計程序進行解算，然后傳輸到上位機窗口，即可將測量發射站狀態數據實時顯示出來，解算流程如圖10所示。

圖10 速度數據解算流程圖

在通訊過程中需要注意規劃一次完整通訊的時間[4]，否則在傳輸數據時容易造成堵塞。本系統波特率設定為9 600 b/s，一字節傳送耗時為10 b/9 600 b/s=1.04 ms，每次電控箱向發射站發送指令耗時為1.04 ms×10=10.4 ms，發射站反饋信息傳輸時間為1.04 ms×11=11.44 ms，考慮到CPU解算耗時少，所以單次發送指令進行測速耗時約為25 ms。發射站設定的響應超時時間為100 ms，遠大于25 ms，確保了查詢發射站狀態信息的及時性和數據傳送的流暢性。

3 實驗結果

在上位機與電控箱內的無線模塊成功進行WIFI組網連接[5]后，無線通訊控制主要實現三個功能：一是通過無線發送相應指令到電控箱，進而控制測量發射站達到上電自動啟動和斷電前自動關機；二是根據用戶需求讀取發射站ID及相應結構參量，在組網定向時提供配置依據；三是遠程發送測速指令，監測或變更測量發射站旋轉速度。

3.1 無線開關機與讀取內參量實驗

通過無線聯網(由圖11可知通過設置相關參數，已成功將控制電路板設置為STA并成功連接)后，電源控制箱遠程先后發送：開機指令、監測發射站內參量指令、關機指令。數據反饋如圖11，可知測量發射站先后反饋的“開機指令已發送”、8個內參量和“關機指令已發送”，與預期結果沒有偏差，內參量驗證無誤。

圖11 無線組網測量圖

3.2 無線測速實驗

實驗時將測量發射站上電后加速度設置為10 r/s2，發射站目標速度為1 850 r/m。電控箱與測量發射站無線組網后，通過WIFI重復發送1 000次測速指令，讀取的速度數據取其中990～1 130 r/m部分如圖12所示。單次測量耗時為25 ms，重復發送指令間隔已設置為600 ms，即測量出一次速度數據時間約為25 ms+600 ms=625 ms。由990 r/m增加到1 130 r/m理論耗時約為(1 130 r/m－990 r/m)/10 r/s2=14 s。圖12中數據量為22個，即測量耗時約為625 ms×22=13.75 s，與理論耗時基本一致，無數據丟包現象，且測量數據均單次單行顯示，無數據堵塞或延遲發送現象，實驗結果正常。

圖12 無線組網測速圖

4 結語

本文設計了一種帶有無線功能的新型電源控制箱對wMPS測量系統中的發射站進行供電，并通過實驗驗證，在通訊協議的支持下，電源控制箱通過無線聯網可以實現對測量發射站的遠程控制和對測量發射站內參量的讀取。新型電源控制箱改進的機械結構可靠穩定，配合完善的無線控制功能，目前已在沈陽飛機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于原有電源箱，對wMPS測量系統的優化有重要意義。

本文設計的電源控制箱在現場應用后，為了提高系統通信的實時性和可靠性，以后考慮在控制板內植入嵌入式操作系統，如μC/OS-II、FreeRTOS等，其提供的任務調度機制能夠增強無線控制的協調性和及時性，并且便于裁剪和移植，能夠令電源控制箱的功能得到進一步發揮。

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圖10 市電太陽能聯合供電

5 結論

本文利用單片機搭建了太陽能/市電聯合供電的LED照明系統。以太陽能作為主要能源，市電作為補充能源，最大限度地利用可再生能源，根據雙輸入Buck工作原理制定合理的控制方案保證兩路輸入源協調工作，負載穩定工作，最后通過實驗驗證方案可行。

參考文獻：

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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”計劃(2012AA041205)

韓延東(1989—)，男，河北省人，碩士，主要研究方向為wMPS測量系統的電源控制箱設計。