基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統設計

廖海軍，靖永志，何 飛

(1.磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，成都 610031； 2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031)

表1 LabVIEW與間隙傳感器間通信協議

基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統設計

廖海軍1,2，靖永志1,2，何 飛1,2

(1.磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，成都 610031； 2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610031)

針對磁浮車間隙傳感器工作環境惡劣需要頻繁地測試與維護的問題，應用無線通訊技術、虛擬儀器技術、數字信號處理技術，設計了一種基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統，該系統在原有磁浮車間隙傳感器的基礎上增加WiFi模塊使傳感器具有無線通訊功能，采用具有WiFi通訊功能的便攜式PC機作為系統的監控終端，利用圖形化編程語言LabVIEW編寫監控終端的人機交互界面;測試結果表明：該系統工作穩定可靠、操作簡便，實現了對間隙傳感器特性的無線測試、存儲、分析和非線性校正，非線性校正后的間隙傳感器具有良好的線性特性，其輸入輸出特性達到了磁浮車懸浮控制系統的要求，可用于懸浮控制系統的閉環控制。

磁浮車；間隙傳感器；WiFi；無線通訊；LabVIEW；非線性校正

0 引言

懸浮間隙傳感器是磁浮列車懸浮控制系統的重要組成部分，它將采集到的懸浮間隙大小變換為電信號提供給懸浮控制器，懸浮控制器通過調整電磁鐵線圈中的電流大小使軌道與懸浮電磁鐵之間的間隙保持在10 mm左右[1]。懸浮控制系統要求傳感器在0～20 mm范圍內都保持較好的線性特性，然而傳感器原始特性曲線常常呈現出非線性或者只在小范圍內具有線性特性，同時傳感器安裝于列車底部，工作環境惡劣，需要經常對傳感器進行性能測試與維護。WiFi是一種高頻無線電信號，具有傳輸速度快抗干擾強的優點，隨著無線通訊技術的發展，無線傳感器檢測技術在不同領域得到了廣泛的應用。文獻[2]將WiFi技術應用到煤礦井的生產環境監測中，文獻[3]在嵌入式視頻采集中采用WiFi技術取得了不錯的效果。LabVIEW即實驗室虛擬儀器集成環境，使用LabVIEW功能強大的圖形編程語言能夠大大縮短編程周期，文獻[4-5]利用LabVIEW在水質監測系統和鋼軌打磨試驗臺測控系統中實現了監控終端人機交互界面的設計，達到了實時采集、直觀顯示采樣數據的要求。本文將WiFi技術與LabVIEW應用到磁浮車間隙傳感器的測試中，設計了一種基于WiFi通訊的磁浮車間隙傳感器測試系統，實現了對磁浮車間隙傳感器特性測試及非線性校正。

1 測試系統總體方案設計

磁浮車間隙傳感器測試系統如圖1所示，系統由監控終端PC機、間隙傳感器和電機驅動部件構成。監控終端PC機具有無線WiFi通訊模塊，主要實現人機接口與無線通訊功能；間隙傳感器主要由WiFi模塊和DSP控制單元組成。當執行特性測試時，PC機通過WiFi發送測試命令給DSP，DSP控制步進電機驅動傳感器探頭均勻地移動，探頭檢測間隙的大小并通過信號調理單元將表征間隙大小的電壓信號送給DSP進行A/D轉換，DSP將轉換后的數字量通過WiFi發送給PC機，在監控終端的LabVIEW界面中繪制傳感器原始特性曲線并將數據保存；當執行校正時，監控終端發送校正命令及校正參數給DSP，傳感器更新非線性校正參數，再次測試，LabVIEW顯示校正過后的特性曲線。

圖1 磁浮車間隙傳感器測試系統結構圖

2 間隙傳感器硬件設計

間隙傳感器采用DSP作為核心處理器，主要實現信號采集與處理、電機驅動控制、非線性校正等功能，同時DSP通過WiFi模塊與監控終端實現數據與命令的雙向無線傳輸。

2.1 DSP控制單元

DSP在數據處理和電機控制方面應用廣泛，選用TI公司的TMS320F28335作為核心處理器，28335是一種浮點型處理器，具有運算精度高的特點[6]。TMS320F28335片內集成2組8通道12位的ADC，在精度和采樣速度要求不是很高的情況下片內ADC模塊完全能勝任，由于DSP的輸入電平不能超過3.3 V，在進行A/D轉換之前需要加入相應的調理電路，信號經調理之后方可接入DSP，DSP的SCI是具有接收和發送兩根信號線的異步串口，實現與監控終端的數據通訊。

DSP主要實現步進電機控制、模數轉換、更新校正參數和通訊控制等任務，DSP通過接收監控終端的命令判斷要進入的工作狀態。DSP的工作流程如圖2所示，當接收到特性測試命令時，DSP先控制電機將傳感器探頭調至0 mm處，然后控制探頭從0 mm開始每0.1 mm均勻移動直到20 mm，探頭檢測間隙的大小并通過信號調理單元將表征間隙大小的電壓信號送給DSP進行A/D轉換，DSP將對應標準間隙的數字量發送給監控終端；當DSP接收到校正命令時，DSP接收監控終端發來的校正參數進并行參數更新；再次測試時DSP將校正后的結果輸出。

圖2 DSP工作流程圖

2.2 WiFi模塊與DSP接口

WiFi技術在無線通訊領域應用較廣泛，WiFi模塊是一種基于Uart與Spi接口的符合無線網絡標準的嵌入式模塊，模塊內置網絡協議IEEE802.11b/g/n協議棧以及TCP/IP協議棧，能夠實現用戶嵌入式設備數據到無線網絡的轉換，傳統的嵌入式設備也能輕松接入無線WiFi網絡[7]。WiFi模塊可以配置為AP-Server/Client模式或者STA-Server/Client模式，目前絕大多數便攜式PC機都內置WiFi模塊，這使得PC機可以方便連入WiFi網絡，本文將WiFi模塊配置為AP-Server模式，監控終端可直接連入WiFi模塊的網絡與間隙傳感器通信。

TMS320F28335的SCI串行通信TXD/RXD管腳電平與WiFi模塊的UART_RXD/UART_TXD管腳電平都為3.3 VTTL電平，故不需要額外的電平轉換芯片，按照收/發、發/收的原則相連即可，DSP串口轉WiFi通訊時的電路連接如圖3所示，nReload與nRset為模塊的重啟與復位引腳，均為低電平有效，分別接5～10 K的上拉電阻。

圖3 DSP與WiFi模塊電路連接圖

3 LabVIEW監控軟件設計

監控終端采用LabVIEW進行開發，LabVIEW采用獨特的圖形化G語言編程模式，能極大縮短開發周期，降低開發難度。LabVIEW內置了便于應用TCP/IP軟件標準的庫函數，通過調用TCP協議函數中的打開TCP連接、寫入TCP數據、讀取TCP數據等相關函數即可方便寫入和讀取數據[8]。調用打開TCP連接函數建立監控終端與間隙傳感器間的通信，同時由于在0 mm與20 mm處安裝有限位裝置，調用讀取TCP數據函數讀取限位裝置的狀態，程序框圖如圖4所示。編寫程序之前需設計LabVIEW與間隙傳感器之間的通信協議，即控制電機正反轉、停止指令的協議，DSP串行通信數據寬度為8位，由于該系統電機控制指令較少,使用數據的低2位即可滿足要求，通信協議如表1所示，當觸發0 mm限位裝置時LabVIEW自動發02(反轉)指令，觸發20 mm限位裝置時發03(停止)指令，電機控制部分的程序如圖5所示。

圖4 限位裝置狀態讀取程序框圖

表1 LabVIEW與間隙傳感器間通信協議

數據低2位(二進制)電機控制LabVIEW指令(十六進制)00無效指令無01正轉(向下)0110反轉(向上)0211電機停止03

圖5 電機控制程序框圖

LabVIEW程序工作流程如圖6所示，系統啟動時輸入WiFi模塊的IP地址與端口號并建立監控終端與傳感器之間的連接。點擊開始測試按鈕，寫入TCP數據函數將測試模式命令通過WiFi發送給傳感器的DSP控制單元，DSP運行測試模式程序并向監控終端發送數據，LabVIEW通過讀取TCP數據函數來讀取DSP發來的數據，同時將接收的數據波形繪制在人機界面中，點擊數據保存按鈕可將傳感器特性數據存儲在本地文件中；點擊校正傳感器按鈕，LabVIEW將校正模式的指令和校正參數發送給DSP控制單元，點擊開始測試按鈕采集非線性校正后的傳感器特性數據。

圖6 LabVIEW程序基本流程

4 實驗驗證

將WiFi模塊配置在AP模式，配置模塊IP地址為10.10.100.254，端口號為8899，運行監控終端軟件點擊連接至傳感器建立連接，點擊開始測試，PC機發送測試命令，DSP先控制電機將傳感器探頭調至0 mm，然后從0 mm至20 mm采集間隙傳感器的原始特性并通過WiFi模塊將數據發送給PC機，監控程序接收數據并繪制特性曲線，測試結果如圖7所示,圖形的橫坐標為實際氣隙值，縱坐標為DSP的A/D模塊數字量輸出。

圖7 傳感器原始特性曲線

假設傳感器的輸入輸出特性滿足函數y=f(d)，d為實際氣隙值，y為A/D輸出，由圖7可以看出y為d的非線性函數，只有通過非線性校正環節改善其輸入輸出特性才能用于懸浮控制系統的閉環控制，點擊校正傳感器按鈕，程序通過WiFi將校正參數下發給DSP，DSP更新非線性校正環節中的參數。重新采集0～20 mm數據，傳感器輸出非線性校正后的間隙值，其測試結果如圖8所示，經非線性校正環節之后，縱坐標為傳感器的模擬量輸出，曲線的增益和偏置幾乎嚴格接近于1，可見經校正后傳感器的輸入輸出保持嚴格的線性特性，系統實現了對磁浮車間隙傳感器特性的無線測試和非線性校正，達到了磁浮車懸浮控制系統的要求，可將輸入輸出特性應用于懸浮控制系統的閉環控制。

圖8 校正后傳感器特性曲線

5 結束語

本文將LabVIEW與WiFi無線通訊技術結合，用于磁浮列車間隙傳感器的測試，所設計的測試系統具有操作簡便、無線通訊和自動化程度高的特點，利用友好的人機界面可較好的實現磁浮列車間隙傳感器的無線測試和非線性校正功能，經測試系統校正后傳感器具有良好的線性特性。

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[2] 賈 穎,邵廣賢,鄧思敏,等.基于WiFi 技術的井下環境監測系統設計[J].煤炭技術,2015,34(4):314-316.

[3] 秦夢陽,陳小平.基于WiFi傳輸的電梯視頻采集器設計[J].電子設計工程,2016,24(2):146-148.

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[7] 陳 祥,龔鑫宇,吳占敖,等.基于WiFi技術的醫囑執行實時自動提醒系統設計[J].軟件導刊,2015,14(5):87-89.

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Design of Test System for Maglev Train Gap Sensor Based on WiFi Communication

Liao Haijun1,2, Jing Yongzhi1,2,He Fei1,2

(1.Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle, Ministry of Education, Chengdu 610031, China;2.School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Aiming at the problem of frequent test and maintenance on gap sensor of Maglev train, using wireless communication technology, virtual instrument technology, digtal signal processing technology, a test system based on WiFi communication was designed, Wireless communication was realized by adding a WiFi module to the gap sensor in this system. PC with WiFi communication function was adopted as monitoring terminal and the man-machine interface was programed by LabVIEW. The test result shows that the system is stable, reliable and easy to handle. The system can realize the wireless test,storage,analysis and non-linear correction on gap sensor. The linearity of the calibrated gap sensor can meet the requirement of the suspension control system and it can be used in the closed-loop control of the suspension control system.

maglev train; gap sensor ; WiFi ; wireless communication; LabVIEW; non-linear correction

2016-11-05；

2016-11-28。

國家自然科學基金資助項目(51377004)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2682015CX029)。

廖海軍(1993-),男，重慶奉節人，碩士研究生，主要從事磁浮列車和傳感器技術方向的研究。

1671-4598(2017)04-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.006

TP212;TP274.2

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