基于CAN總線的淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)

摘要：研制淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)有助于對淋浴噴頭綜合性能進行評價，進而提高產品質量、開發(fā)新產品。在分析了淋浴噴頭噴射流動場性能指標及測試對策的基礎上，構建了基于CAN總線的測試系統(tǒng)，并采用優(yōu)先級晉升算法進行總線調度。給出了CAN節(jié)點通信部分的硬件電路和程序設計方法，并在硬件上加入了多種抗干擾措施。實驗結果證明，系統(tǒng)通信質量良好。該測試系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、實時性好、可靠性高等特點。
關鍵詞：CAN總線；淋浴噴頭；噴射流動場；測試系統(tǒng)；優(yōu)先級晉升算法

0 引言
    在現代社會中，淋浴噴頭已成為人們生活中的必需品。對其性能的評價，除結構、耐用、水流方式等指標外，最終目標應是在節(jié)水、節(jié)能的前提下，人所感受的舒適與清潔效果。水流經過噴頭后被分散成束狀水滴噴射出去，水滴的大小、打擊力以及噴灑的范圍等會直接影響淋浴效果。噴射出的淋浴水在三維空間中形成的是一個流動場，各參量會隨著高度的變化而不斷改變。通過對淋浴噴頭噴射流動場的測試，將流動場的各個性能指標綜合起來分析將十分有助于對噴頭整體性能的評價。
    在家用淋浴噴頭噴射流動場的測試方面，國內外幾乎是空白。但在工業(yè)和農用植保噴頭的性能測試領域，國內外都進行了一定的研究。例如美國噴霧系統(tǒng)公司針對高壓噴霧噴頭研制的噴霧粒子打擊力自動測試系統(tǒng)，由特殊結構的測壓元件采集的信號經計算機處理后能生成粒子撞擊的3D圖像，方便對噴霧粒子的擊打力和噴霧場進行全面研究；Sangon Park針對發(fā)動機噴嘴，通過激光誘導熒光法測量液滴直徑，由激光衍射法獲取分布信息；柳平增、丁為民等人研制的植保噴頭綜合性能測試實驗臺，分流量的采集由重量傳感器和采集卡配合完成，用圖像處理技術實現對噴霧角的測量。不過由于淋浴噴頭與工業(yè)和植保噴頭的噴射性能不盡相同，而且已做研究大多針對單一性能的測試，無法對噴射流動場特性進行綜合分析。為此，需要研究開發(fā)一套專用的淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)。

1 測試系統(tǒng)構建
1．1 淋浴噴頭噴射流動場性能指標及測試對策分析
    水流對人體的打擊力和水溫是淋浴噴頭噴射流動場特性的主要參數，也是衡量淋浴噴頭洗浴效果和舒適性的重要指標。噴射出的淋浴水，無論是在垂直方向還是在水平面上不同點之間參數各異。而且，人們在使用過程中的感受，隨高度和受力面積的不同而不同，所以研究噴頭流動場特性需對打擊力場和溫度場進行檢測。另外考慮在不同溫度下，人體對打擊力的感受是不同的，而且大多數情況下溫度變化對力傳感器有影響，需要進行溫度補償，因此，在構建測試平臺時，將打擊力場和溫度場的檢測設置在一個智能模塊下。
    結構不同的淋浴噴頭在不同條件下噴射流動場的輪廓、水流方式和分布各異，在這個三維場中每一采樣點對應溫度、打擊力、流速等多個參數。獲取噴射場形態(tài)圖像能夠將采樣點的參數與三維圖對應起來，有助于建立更加清晰直觀的噴射流動場特征數據庫。同時，采集的噴射圖像也是獲得噴射流動場特性的重要來源，通過圖像處理可以得到噴射角、氣液比、流速等多個特征參數。因此，在測試系統(tǒng)中，需要獲取噴射流動場的圖像信息。
    對淋浴噴頭而言，在獲得相同噴射效果的同時，流量越小的越節(jié)水。但是，如果水壓太低或者不穩(wěn)定，水流達不到一定的噴射效果，就談不上節(jié)水了。另外，水溫的高低對噴射場的霧化性能有影響，會引起周圍環(huán)境溫度、濕度的改變。因此在對噴頭噴射流動場特性進行研究時，需要采集流量、水壓、水溫和環(huán)境溫濕度等一些過程參數。
1．2 噴射流動場測試系統(tǒng)
    淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)一方面要能夠全面獲取反映其性能的各項指標，另一方面需要對所獲取的數據進行處理和融合，以對噴射流動場綜合性能進行研究。也就是說測試系統(tǒng)既要構建基于某些方面性能的獨立測試子系統(tǒng)，又要能夠方便地將各個子系統(tǒng)聯(lián)系起來。那么，系統(tǒng)構架及實時通信就成為測試系統(tǒng)要解決的主要內容。
    為此，構建了一套基于CAN總線的淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)，其總體結構如圖1所示。CAN總線屬于現場總線的范疇，是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。CAN總線的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對通信數據塊進行編碼，從而使網絡中節(jié)點配置更加靈活。同時在總線上傳輸的節(jié)點信息可被定義為不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時要求，通信速度最高可達1 Mbps。
    測試系統(tǒng)由基于CAN總線的分布式網絡構成，包括1個主節(jié)點和4個子節(jié)點。主節(jié)點PC作為整個系統(tǒng)的上位機，是整個測試系統(tǒng)的綜合管理平臺，能通過圖形化的界面完成各種操作，協(xié)調測試系統(tǒng)中各部分的工作，存儲子節(jié)點上傳的數據并對數據進行綜合處理，輸出處理結果。溫水控制節(jié)點保證為實驗裝置提供穩(wěn)定(已知)溫度和壓力的水源；打擊力溫度場測試節(jié)點可以調節(jié)測試臺與噴頭之間的距離，獲取各高度平面上的打擊力和溫度信號，用于構成打擊力場和溫度場；噴頭控制節(jié)點能控制噴頭在支架上作水平移動，并可以調節(jié)噴頭的角度，來模擬淋浴噴頭在實際使用中的情況；另外，通過過程量采集節(jié)點獲取流量、壓力、溫度、濕度等一些過程參數用于流動場特性的研究。數字高速攝像機將捕獲的噴射圖像通過IEEEl394卡傳入PC。

2 基于優(yōu)先級晉升算法的系統(tǒng)調度
    CAN總線采用非破壞的逐位仲裁技術，當2個或2個以上節(jié)點同時向網絡上傳送數據時，總線通過仲裁，使優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數據，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數據。在競爭中被取消發(fā)送權的節(jié)點將等待下一個總線空閑期自動地再嘗試發(fā)送。在系統(tǒng)運行過程中，某些節(jié)點(如打擊力場溫度場測試節(jié)點)不斷有大量數據需要傳送時，會造成網絡負載繁重，有可能導致其他優(yōu)先級較低的節(jié)點數據傳輸延時的不確定性，使整個網絡實時性和可靠性大大降低。
    為此，測試系統(tǒng)采用了優(yōu)先級晉升算法進行總線調度。首先需要將CAN的數據幀的仲裁字段劃分為優(yōu)先級標識和幀標識兩部分，幀標識部分與傳統(tǒng)的數據幀標識符意義相同，而優(yōu)先級標識部分只表示數據幀的優(yōu)先級，它根據總線調度機制分配給數據幀的優(yōu)先級的變化而變化。在系統(tǒng)中有個優(yōu)先級隊列，每個節(jié)點僅存儲本節(jié)點在隊列中的位置，其值PRIi=PRIi0-fi(t)。PRIi0。為節(jié)點的初始位置，PRIi0=-(2l-l-xi0)，l為優(yōu)先級標識位數，xi0為系統(tǒng)分配的初始優(yōu)先級因子。fi(t)為優(yōu)先級晉升項，t可以是排隊時間，這里fi(t)設為kn，其中n為數據自首次發(fā)送以來，仲裁失敗的次數，k為權重，k值越大，數據幀的優(yōu)先級隨仲裁失敗次數的增加晉升越快。這樣，PRIi=(2l-1-xi0)-kn，優(yōu)先級晉升的算法流程如圖2所示。隨著節(jié)點數據優(yōu)先級的提高，發(fā)送成功的概率也增大了。通過提高優(yōu)先級發(fā)送成功的節(jié)點數據在發(fā)送成功后，再把其優(yōu)先級降為初始優(yōu)先級。

3 智能節(jié)點通信接口設計
    掛接在CAN總線上的智能節(jié)點在該分布式測試系統(tǒng)中一方面能根據系統(tǒng)需要獨立完成數據采集、控制等任務，另一方面能夠與系統(tǒng)其他節(jié)點進行參數同步和信息傳遞。
    MCP2551是CAN控制器與物理總線接口的芯片，它用于增強總線的驅動能力，從而增加cAN總線的通信距離并使得總線上可以掛接更多的節(jié)點。
    為保證整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和CAN總線通信的可靠性，在硬件上加入了多種抗干擾措施。在電路板的電纜入口處使用的LC濾波器，可以濾除CAN總線電纜中傳導的各種高頻干擾信號。瞬態(tài)抑制二極管TVS并聯(lián)在信號線和信號地線之間，用來釋放電纜受到雷擊或靜電放電時產生的浪涌高壓。在MCP2510和MCP2551之間使用的2個光耦6N137，能很好地解決傳導干擾問題，具有良好的電絕緣和抗干擾效果。隔離型DC／DC芯片B050S-1W將光耦兩端電源隔離開。另外，為了匹配總線阻抗和消除傳輸線上的信號反射，當節(jié)點位于CAN總線終端時，用跳線選擇加上120 Ω的電阻。總線連接介質選用屏蔽雙絞線，屏蔽層接地。
3．1 通信接口硬件電路
    系統(tǒng)中除主節(jié)點通過PCI-CAN適配卡接入CAN總線外，各子節(jié)點與總線的接口需要自行設計。考慮到各智能節(jié)點所要實現的功能各不相同，為使微處理器能有更靈活的選擇，同時方便通信程序的移植，加快開發(fā)進度，系統(tǒng)中子節(jié)點均使用相同的獨立CAN總線控制器。子節(jié)點通信模塊的硬件電路如圖3所示，主要由微處理器(MCU)、CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器MCP2551組成。其中，MCU實現CAN總線應用層功能，MCP25lO和MCP2551實現CAN總線物理層和數據鏈路層功能。

    MCP2510是一款帶SPI接口的獨立CAN控制器，完全支持CAN總線V2．0A／B技術規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標準和擴展報文，同時具有驗收濾波和報文管理功能。它內含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器。MCU能通過標準的SPI接口完成對MCP2510的初始化、工作狀態(tài)控制以及數據的讀寫，SPI最高數據傳輸速率可達5 Mbps。此外，MCP2510還具有靈活的中斷管理能力，產生的中斷可以反饋給MCU來處理，滿足不同的實時操作需求。
3．2 通信接口程序設計
    CAN總線節(jié)點的接口軟件為應用層訪問CAN控制器MCP2510提供了一個便捷通道，該通道屏蔽了MCP2510工作的實現細節(jié)，使得應用層面向通信是透明的。通信接口程序主要包括初始化、數據的發(fā)送和數據的接收3個部分。完成這3部分程序的編制后，就能進行一般的數據發(fā)送和接收。
    MCU對MCP2510的初始化操作包括設置SPI數據傳輸速率、CAN通信波特率、濾波寄存器和屏蔽寄存器以及中斷允許標志位等。系統(tǒng)中所有節(jié)點設置為同一通信波特率，否則設備間將無法正常通信。
    CAN初始化完畢后，方可進行數據的接收和發(fā)送。為保證發(fā)送數據的完整性和數據接收的實時性，各節(jié)點根據需要主動進行數據的發(fā)送，而數據的接收采用中斷方式。
    發(fā)送數據時，將待發(fā)送的數據打包成符合CAN協(xié)議幀格式的報文后寫入發(fā)送緩沖器，并啟動發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖器前先查詢其狀態(tài)，只有在有空閑的發(fā)送緩沖器時才將報文寫入。啟動發(fā)送后，通過查詢狀態(tài)寄存器或發(fā)送成功中斷標志來判斷報文是否發(fā)送成功。
    總線報文通過中斷方式進行接收，此中斷在接收緩沖器滿時被觸發(fā)。報文傳至某一接收緩沖器后，與該接收緩沖器對應的中斷標志寄存器的RXNIF位將置1。一旦緩沖器中的報文處理完畢，MCU將該位清除等待接收下一條報文。該控制位提供的鎖定功能確保在MCU尚未處理完上一條報文前，MCP2510不會將新的報文載入接收緩沖器。
    通過設置節(jié)點MCP2510的驗收濾波器，既可以實現測試系統(tǒng)中節(jié)點與節(jié)點之間的點對點通信，也可以實現一點對多點的廣播式通信，使整個數據通信網絡更加靈活。

4 實驗結果
    為了驗證測試系統(tǒng)CAN總線通信的速率、可靠性和穩(wěn)定性，進行了CAN總線通信實驗。實驗中，總線通信波特率設為500 Kbps，主節(jié)點以廣播的方式向4個子節(jié)點發(fā)送含8字節(jié)有效數據的符合CAN2．0B規(guī)范的標準數據幀，子節(jié)點收到數據后在ID中加入節(jié)點號將數據返回，主節(jié)點通過比較前后數據，若一致則認為通信正常，反之則記為一次誤碼，如果在限定時間內有子節(jié)點的數據未返回則記為1次斷線。全部成功返回或斷線均看作一輪通信結束。測試結果如表1所示。在進行的100萬輪通信中，網絡運行良好，無誤碼或斷線情況出現，平均每輪通信用時1．673 ms。

5 結束語
    所設計的淋浴噴頭噴射流動場測試系統(tǒng)，通過CAN總線將各功能模塊連接起來，形成了一個有機整體，使得系統(tǒng)中每個智能子節(jié)點既可以在主節(jié)點(PC)的調配下獨立完成某些測試任務，又能通過網絡將采集的數據、工作狀態(tài)等信息集中傳入上位PC，便于系統(tǒng)進行綜合數據處理和信息融合。由通信實驗的結果可以看出，數據在系統(tǒng)網絡中能實時、可靠、穩(wěn)定地進行傳輸。
    優(yōu)先級晉升算法的應用很好地解決了當總線網絡負載較大時，可能出現的優(yōu)先級較低的節(jié)點數據發(fā)送延時的不確定性甚至丟失數據的問題，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。
    對淋浴噴頭噴射流動場測試這一國內外空白領域，在性能指標的確定和測試對策上進行了探索性研究。測試系統(tǒng)的研制成功為評價淋浴噴頭綜合性能提供了重要手段，有利于新產品的研發(fā)和老產品的改造，對最終國家制定相關標準也將起到積極作用。