基于网络的感应淬火综合监控系统的设计

张向阳

摘 要：基于网络的感应淬火综合监控系统是在深入分析感应淬火的需求基础之上，根据目前流行的网络技术和嵌入式技术设计的一种以STM32F103为核心芯片的解决方案。PC机通过以太网与工控板间实现数据的实时交换，主要包括计数、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出功能。基于网络的感应淬火综合监控系统应用程序分为上位机监控程序和下位机控制程序。由此实现对感应淬火过程的实时控制与监测记录。

关键词：感应淬火；嵌入式；STM32F103；以太网

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-0-03

0 引 言

感應淬火是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热，再通过淬火液进行冷却的热处理工艺。感应淬火具有加热速度快、节约能源、生产效益高、不污染环境，易于实现机械化和自动化等特点。而直流电压、直流电流、淬火液温度、淬火液流量等工艺参数对淬火工件的硬度和淬火深度有着重大影响，决定了最终淬火产品的质量。因此在感应淬火过程中，需要感应淬火监控系统来保证这些工艺参数值的稳定和精确。此外，随着网络的高速发展，专业化、智能化和网络化是感应淬火综合监控系统发展的必然趋势，因此开发出一套基于网络的感应淬火综合监控系统具有重要的实际意义。

1 系统整体结构规划

通过对感应淬火综合监控系统工作原理和设计原则的总体分析，制定出感应淬火综合监控系统的整体设计方案，主要包括监控计算机、以太网、感应淬火监控板及主要的监测参数。其中监控计算机通过以太网向核心感应淬火综合监控板发送TCP/IP数据包，感应淬火综合监控板接收TCP/IP数据包，并从TCP/IP数据包中解析出数据指令，淬火综合监控板根据指令对相应的能量与环境进行监控，并将监控结果和需要记录的数据以TCP/IP数据包的形式通过网络发送回监控计算机，对整个感应淬火过程进行实时监控记录。图1所示为系统总体结构规划图。

2 系统硬件设计

2.1 控制板设计

基于网络的感应淬火综合监控系统的控制板以STM 32F103芯片为主控芯片。根据功能要求，控制板主要包括微控制板模块电路、网络连接电路、电流电压测量电路、淬火液温度容量测量电路、冷却水温流量测量电路、淬火时间频率测量电路、报警电路等。其电路总体规划图如图2所示。

在整个基于网络的感应淬火综合监控系统中，控制板通过以太网芯片W5500与工控机连接，从而实现数据的实时交换。此外，控制板还连接着模拟量输入端口、开关量输入端口、开关量输出端口。其中模拟量输入端口包括直流电压、直流电流、冷却水温度、压力、淬火液温度、流量共6路；开关量输入端口包括8路感应淬火通道，即8种淬火模式与淬火启动通道；开关量输出端口包括淬火环境报警、淬火能量报警共6路，而报警模式分为LED灯闪烁、报警器发出断续音和LED灯亮、报警器发出连续音，即对应每路监测值超出上限阈值和下限阈值产生的报警。

2.2 CPU核心芯片

如图2所示，多功能监控板的核心为STM32F103ZGT6，该芯片集成Flash和SARM寄存器的ARMcortex-M3 内核，是32位的RISC处理器，可提供额外的代码效率，与普通的8位和16位单片机相比，可以更好的发挥ARM内核的高性能。STM32F103ZGT6芯片拥有144个引脚，在硬件结构上容易进行测控功能的扩展。此外，它还内嵌了3个12 位的ADC，有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，各通道的A/D 转换可以单次、连续扫描或间断执行。同时还集成了分辨率可配置为3位或12位的DAC。此外，还支持 SPI、I2C和USART等多种通信方式。这些功能大大简化了监控板的硬件结构，缩短了系统的开发周期。

2.3 以太网模块设计

由于STM32F103既不包含网络控制器的MAC层 （链路层）也没有网络控制器的PHY层（物理层），所以采用STM32 外接常用的嵌入式以太网控制器W5500。W5500芯片是一款集成度高的网络控制芯片，内部集成有10/100M以太网控制器和硬件TCP/IP协议栈。无需复杂的TCP/IP协议移植操作，通过简单的接口连接就可以实现快捷的网络连接，基本不占用MCU内部资源，能够极大地提高MCU的工作效率，性价比高，稳定性好。

W5500支持硬件TCP/IP协议栈，具有完善的官方应用库，使得对协议的应用更简单，大大缩短了实际的开发周期；拥有32 K字节的片上缓存，可以更好地处理大量网络数据；支持用户同时使用8个硬件Socket独立通信，且各Socket之间互不影响；用户可以选择使用网络唤醒模式及掉电模式，以减少系统能耗；支持80 MHz的SPI协议，可以实现快速的网络通信。W5500模块原理图如图3所示。

通过W5500与HR911105A的连接，由网线实现与PC机之间的数据通信。其中，HR911105A主要包括一个隔离变压器和一个RJ45接口，该隔离变压器对2 kV以上电压可以起到隔离作用，有效防止静态干扰。RJ45是布线系统中信息插座（即通信引出端）连接器的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，插头有8个凹槽和8个触点。HR911105A模块原理图如图4所示。

2.4 电源模块设计

电源模块原理图如图5所示。文中选用LM2596芯片，该芯片是一种降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可固定输出3.3 V、5 V、12 V电压，并进行可调电压输出，输出误差可保证在±4%的范围内。由于它可以使用通用的标准电感，更优化了LM2596的使用，极大地简化了电源模块的电路设计。同时还包含自我保护电路，大大延长了芯片的使用寿命。

3 系统软件设计

3.1 下位机程序设计

MDK-ARM为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器的设备提供了完整的开发环境。所以底层程序是在MDK编译器下用C语言编写的。由于核心芯片采用的是STM32F103，而STM32系列芯片在应用方面具备了完整且成熟的库开发指南，因此大大简化了应用程序的编写。在下位机程序设计中，通过对库函数的调用来进行所有硬件的初始化，包括STM32F103内核的移植、时钟初始化、引脚初始化、ADC初始化、USART初始化、SPI初始化以及TCP/IP协议初始化。硬件初始化完成后再进行软件初始化，主要包括对各通道参数的基本设置、报警阈值的设置、软件关闭LED灯以及报警器。当所有初始化完成后，就可进行任务分解。由于感应淬火综合监控系统是一个实时性监控系统，因此采用SysTick（系统滴答定时器）来进行定时中断。理论上STM32F103的最小计时单位为AHB的时钟周期，即1/720 000 00 s（1/72 000 ms），而基于网络的感应淬火综合监控系统在监控过程中以20 ms作为一个周期，0.5 ms作为间隔进行具体的任务分配。该定时周期既能保证每个任务的有效实时运行，又能保证系统CPU的运行负荷不至于太大。

下位机程序流程如图6所示。

3.2 上位机程序设计

上层使用Visual Studio 2010编写，它是微软公司推出的开发环境，也是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境之一。通过对Visual Studio 2010的研究，运用C#语言编写一个简单的上位机监控界面。创建一个Windows窗体应用程序，以TCP/IP通信协议运用Socket套接字的方式与感应淬火综合监控板进行连接，再对整个上位机界面的各模块进行编写，包括工件基本参数监控模块、电源报警状态模块、电源实时参数监控模块、感应淬火通道监控模块、环境参数监控模块。

3.3 数据处理算法设计

由于基于网络的感应淬火综合监控系统最终用在机床上的工控板，因此存在很多复杂的外部干扰信号，为了有效除去这些干扰，更加准确的计算出监测结果，感应淬火综合监控系统采用多次数据检测、平均虑波、平滑滤波相结合的方法。在直流电压和直流电流的检测过程中，20 ms内采集4次数据，再去掉其最大值和最小值，对100 ms内的10个值进行平均，求平均值，连续取5组，最后对500 ms内的5组值进行5级平滑滤波得到最终结果。

4 结 语

基于网络的感应淬火综合监控系统采用STTM32F103芯片，这是一款高度集成的微处理芯片，大大简化了整个开发系统的结构和PCB板的制作。由于以往大部分工控机采用的是并行口通信，而随着技术的发展，支持并行口通信的工控机越来越少，所以此次监控板采用网络传输通信，这也是技术发展的必然趋势。感应淬火综合监控系统操作简单，稳定可靠，具有极大的实用价值和发展潜力。

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