轴承试验机网络单元及其应用

郭绍鹏, 李荣德

(洛阳轴研科技股份有限公司 试验技术开发部，河南 洛阳 471039)

随着网络技术日新月异的发展，网络测控技术也由简单的远端数据传输发展到现在的群测群控，网络测控产品多种各样，其通常作为下位机进行现场信号的测控。轴承试验机是专门对轴承性能参数进行测试的试验设备，其调控对象为主轴电动机或液压、气动比例减压阀。目前，轴承试验机测控系统以“工控机+A/D卡+D/A卡+I/O卡+RS485卡”结构实现。这种结构的优点是通信速度高，直观，调试方便；缺点是成本高，控制线多、长，信号易被干扰，系统越大开发生产周期越长、工作量大、网络化困难。基于此，介绍了一种Silabs公司推出的以C8051F005型单片机作为单元核心的多功能模块，其非常适合在轴承试验机上作为信号采集、A/D输出及与上位机通信的功能单元使用。

1 C8051F005芯片介绍

C8051F005单片机原理如图1所示，其性能指标为：12位ADC 8路单端或4路差分输入，最大采样速度为100 kHz；一个可编程放大器，增益为16，8，4，2，1，0.5；内置温度传感器(±3 ℃)；两个12位DAC；21个矢量中断源； 4字节宽I/O端口；所有口线均耐5 V电压，可同时使用硬件SMBus(I2CTM兼容)、 SPITM及UART串口;可编程的16位计数器/定时器阵列有5个捕捉/比较模块；精确的VDD监视器和欠压检测器片内JTAG调试和边界扫描，片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试(不需仿真器)，支持断点，单步，观察点，堆栈监视器，观察/修改存储器和寄存器；内部可编程振荡器为2～16 MHz，外部振荡器为晶体、RC，C或外部时钟，可在运行中切换时钟源，适于节电模式时使用。

图1 C8051F005单片机原理图

2 工作原理

2.1 下位机

以网络测试单元作为轴承试验机网络测试系统下位机为目标。单元以C8051F005单片机为核心，测试轴承温度、振动、载荷等试验参数，并通过二线制RS485通信方式将数据传输到上位机，同时接收上位机指令执行动作控制及载荷调节等。温度、振动、载荷等参数在0～+5 V，+1～+5 V或-5～+5 V的模拟电压信号由IN0～IN7通道输入，经电阻衰减网络进入C8051F005进行A/D转换；0～+24 V转速脉冲信号经光耦隔离后经C8051F005多功能端口P0口P0.2位进行转速测试；电动机工作状态检测等开关量脉冲信号经光耦隔离后经P3口进行识别；类似润滑电动机、加载电动机的启停、加热器启停等信号控制，则由C8051F005的P1口通过继电器J0～J7实现；载荷调节由C8051F005自带的两个数模转换器(DAC)输出控制比例放大器由比例阀实现。网络测试单元需3组供电电源，+5 V/3 A电源经AS1117稳压器稳压后，提供+3.3 V DC供C8051F005及外围低压器件使用；+24 V电源经LM7812稳压器稳压到+12 V，+12 V经ICL7660S器件进行DC-DC变换为-12 V，此±12 V电源作为信号放大电源使用； +5 V/3 A电源连同另一路+5 V/1 A电源用于信号光电隔离供电及JTAG逻辑接口编程及仿真时使用。另外，网络测试单元与上位机信息交换通过SP3485芯片和6N137高速光耦实现。

2.2 上位机

上位机为控制中心，对执行机构(网络单元)进行控制，网络单元和上位机通过485通信方式相互交换数据，实现测控功能。数据转换方法是在单片机中建立公共地址区，在该地址区存放单片机A/D采样数据、数字输入、输出数据、D/A输出数据、脉冲计数数据，各项数据的流向如图2所示。

图2 数据流向图

2.3 可靠性

由于设备需在恶劣的环境下长期工作，可靠性尤为重要。为提高试验机的安全性和抗干扰能力，本单元中采取的措施有：

(1)采用DC-DC变换及降压稳压措施，供信号变换、信号隔离电路使用，以提高系统稳定性。

(2)稳压器件选用低压差型AS1117器件，减少发热，使模块小型化并安装在铝材壳体内，提高散热效果和热稳定性。

(3)进线端增加电抗器，用电容滤波方式为运放提供干净电源，减少电源污染。

(4)采取脉冲输入信号电路通过光耦与CPU隔离、控制驱动电路通过继电器与CPU部分隔离；使主机与壳体接触良好，并确保接地良好；RC滤波和软件滤波联合使用；PCB板布置电磁屏蔽层[1]等措施，加强信号抗干扰能力，提高测控准确性。

3 实际应用

试验中，通过控制试验机转速、轴向力和径向力大小对轴承的使用工况进行模拟，一套工装上可安装4套轴承，同时进行试验。其中，轴承转速、驱动电动机电流、轴向力、径向力、振动为整机的测试参数，1#～4#轴承温度是4套轴承外圈测试点的温度。网络单元的功能是将现场模拟信号(如轴向力，振动，温度等)转换成数字信号发给计算机，再将上位机传来的数字信号转换成DA输出，施加给现场执行部件，执行部件(包括变频器，液压比例阀等)将电压值转换成频率、压力输出到电气元件，达到对试验工况的模拟控制。表1为轴承试验机对T60-120轴承的试验数据，试验条件：转速3 000 r/min，轴向力为60 kN，径向力为150 kN，加速、加载过程控制在30 s以内。由试验数据可以看出，静态误差小于1%FS,动态误差小于2%FS，完全满足试验要求。

表1 试验记录

4 结束语

以C8051F005作为单元核心的多功能模块在轴承试验机中起下位机作用，上位机为工业控制计算机，现场信号从轴承试验机的试验平台上提取。若将本单元拓展应用到其他测控场合，上位机可以是计算机、PLC、触摸屏等具有异步串行RS485通信功能的设备，现场信号可以是一切具有标准0～5 V DC或4～20 mA输出的传感器、标准数字输入输出接口或标准脉冲信号。网络单元在其中起中介作用，整个过程中单元只负责采样、输出和传送，并不参与数据整理和计算，计算决策权完全由上位机控制[2]。网络单元可以应用在工业、冶金、锻造等多种对测控信号在精度和控制时序上要求不是很高的环境，其成本低，可靠性高，适合普遍推广。

另外，若想增强模块的功能，还可以选择其他功能更加强大的单元核心，如可以实现高速AD采样速率，100 M以太网通信速率的高性能单板机，其采样精度高，单元内部直接可以进行数字滤波，实时反应快，可满足更高的工业环境要求，但其开发难度与开发成本也相应地提高，可以根据需要进行合适的开发。