一种轧钢机接轴扭矩测量信号无线扭矩传感器的无线通信方法
摘要：目前，轧钢机接轴扭矩测量中的测量信号一般采用模拟式传输，抗干扰能力较弱。本文提出了一种数字式传输方法，不仅提高了轧钢机接轴扭矩测量的精确度，而且增加了无线信号通信的可靠性。
关键词：扭矩传感器 旋转体通信 数字式无线传输
1、引言
近年来，国内大型轧机频繁出现用静力学难以解释的重大接轴断裂事故，由于缺乏当时工况的动态参数记录，给事故分析和责任判定造成了很大困难。随着技术的进步和机械系统设计、制造、运行的完备化需求，扭矩测量及其信号传输越来越成为当务之急[1]。目前，旋转体无线信号通信主要向两个方向发展，一个是传统的模拟式传输，以FM-FM为代表；一个是数字式传输，以PCM为代表。两种方法各具特点，模拟式传输实现起来比较简单，不需要专用的控制芯片进行数据控制，实时性好，不足之处是传输精度有限且易受环境干扰；数字式传输实现起来比较复杂，需使用专门的智能控制芯片进行数据位控制，在旋转状态进行数字通信时，保证数据位的同步极为困难，成为制约数字式无线通信实际应用的主要瓶颈。但其优点是传输精度高，安全性好，是未来无线通信发展的方向，尤其在轧钢机接轴扭矩测量中，由于现场环境非常恶劣，信号的抗干扰能力就显得非常重要。
2、基本原理
轧钢机接轴扭矩测量中，如果采用数字式传输,那么在传输过程中，有用信号混在噪音当中，信号的提取比较困难；在旋转状态进行数字通信时，保证数据位的同步也非常困难。尤其是扭矩的测量要保持实时性，如果有过多的延时，那么就是失去了监测的目的，所以对数据的传输不可能采用较复杂的编码。另外，由于轧钢机接轴是处在不断旋转中，这就要求在轴上的部件尽量小型化，并用较少的器件完成测量传输任务。
那么，如何解决这些问题呢？我们可以把数字编码原理及数字无线传输技术应用到轧钢机接轴扭矩测量中。
2.1 首先，为了保证数据位同步，减小噪音影响，我们必须对数据发送格式进行处理。
无线通信时，在发送数据之前先发送一定数量的方波如55（55表示16进制数据55H ）作为引导头，这样既有利于接收端建立稳定的接收状态，也便于接收程序区分噪声数据和有用数据，可以参考下面的无线传输数据帧结构，并在接收端采用帧同步数据接收。
表1 数据发送格式
Table 1 Data sending structure
引导头 冗余 防错位 同步 数据 数据校验 END 冗余
55(M个) FF 66 AA XX XX XX XX FF
发送的方波数根据具体情况来确定。采用以上的方法，可以有效的“挤掉”噪音，这种数据帧结构适用于目前市面上的很多的数传产品。
为了保证数据的实时性，一般说来，每测量一个数据就进行通信连接，将数据组成数据帧结构发送出去，这就增加了提取有用数据的难度，而且每发一个数据就要发送一定数量的引导头来建立稳定的接收状态，从而极大的降低了信道的使用效率。如果只进行一次通信连接然后将所有的测量数据连续的发出，那么数字信号在传输时难免会受到噪音干扰，引起波形失真，因而在接收端可能造成错误判决，例如，将某一码元的“0”或“1”错判，造成错码。由于测量系统的限制，为了降低延时性，不能采用具有较强的纠错能力的编码，那么就可能引起整个数据流的失真[2]。
所以为了解决这个问题，我们通过大量的实验确定了以下的处理方式，在充分利用信道的同时，又兼顾了数据的实时性。
通信数据帧结构：
(1)引导头55个数控制在30~40个；(其数量可通过软件改变)
(2)数据长度：每10~20点(每点采用16位A/D分辨率)打为一个数据包；
(3)数据校验：采用累加法,计算每个数据包中数据的和，将累加和的低16位求补码后发送。
采用38400bps波特率UART串行传输，频率响应为600HZ，采样精度为16位。(数据格式为：一位起始位，8位数据位，一位结束位，无奇偶校验位)
在数据传输试验中，引导头个数如果少于30个，就有可能发生错位；如果数量太多，非但对实验结果没有影响，反而还会降低通讯效率。根据轴上的存储器存储空间，为了降低数据流的失真对系统监测造成的影响，同时兼顾系统的实时性，将数据长度控制在10~20个。
其具体格式如下：
55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 FF 66 AA DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL DH DL BH BL
其中：DH数据高8位；DL数据低8位；BH补码高8位；BL补码低8位。
可以使用单片机对测量数据进行编程处理来实现以上通信数据帧结构，解决数据位的同步以及信息的准确传输等问题。数据处理过程如下
⑴ 初始化，进行测量前准备工作；
⑵ 测量并获得两字节测量量Di；
⑶ 判断是否测量了十个数据，是则发M个55后发FF66AA，无则继续测量；
⑷ 计算累加和；
⑸ 发送十个测量值，并发送累加和；
⑹ 此过程循环。 （其程序流程图如图1）
图1 数据发送格式流程图
Fig.1 The program structure diagram of data sending
对于轧钢机接轴扭矩测量系统来说，数据经过以上处理，可以将错码影响降到最低，在数据通讯中，我们采用校验和校验技术。
2.2 数据接收处理。首先得到连续不断的数字信号，然后对得到的数据进行软件算法处理，得到待测信号的有效数据，除去噪音部分，这一过程又可称作是一个解码过程。数据处理程序框图，如图2所示。
图2 数据处理程序流程图
首先，检测得到的数字信号，当发现一组数据中含有n个55H(根据不同的环境条件选择不同n值)，就开始寻找字头；如顺利找到字头，软件即开始进行数据记录，并求出本组数据的异或和，与收到的异或和相加看是否为零；如果为零，那么程序就认为这组数据正确，一个解码过程完成。
3 结束语
该无线数字通信方法在我们开发的扭矩测量系统中进行现场测试，收到了令人满意的效果。
参考文献：
[1] 陶魄.中厚钢板轧机扭矩监测的应用研究.机械设计与制造工程,2002,31(1):72-74
[2] 曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社. | 
