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(jìn)行評價，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)新產(chǎn)品。在分析了淋浴噴頭噴射流動場性能指標(biāo)及測試對策的基礎(chǔ)上，構(gòu)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(jìn)行總線調(diào)度。給出了CAN節(jié)點通信部分的硬件電路和程序設(shè)計方法，并在硬件上加入了多種抗干擾措施。實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)通信質(zhì)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(guān)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(xiàn)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(jié)構(gòu)、耐用、水流方式等指標(biāo)外，最終目標(biāo)應(yīng)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(jīng)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(biāo)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(nèi)外幾乎是空白。但在工業(yè)和農(nóng)用植保噴頭的性能測試領(lǐng)域，國內(nèi)外都進(jìn)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(jié)構(gòu)的測壓元件采集的信號經(jīng)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(jìn)行全面研究；Sangon Park針對發(fā)動機噴嘴，通過激光誘導(dǎo)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(shù)實現(xiàn)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(jìn)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(gòu)建
1．1 淋浴噴頭噴射流動場性能指標(biāo)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(shù)，也是衡量淋浴噴頭洗浴效果和舒適性的重要指標(biāo)。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(shù)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(jìn)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(shù)情況下溫度變化對力傳感器有影響，需要進(jìn)行溫度補償，因此，在構(gòu)建測試平臺時，將打擊力場和溫度場的檢測設(shè)置在一個智能模塊下。
    結(jié)構(gòu)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(yīng)溫度、打擊力、流速等多個參數(shù)。獲取噴射場形態(tài)圖像能夠?qū)⒉蓸狱c的參數(shù)與三維圖對應(yīng)起來，有助于建立更加清晰直觀的噴射流動場特征數(shù)據(jù)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(shù)。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(dá)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(jìn)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(shù)。
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(biāo)，另一方面需要對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，以對噴射流動場綜合性能進(jìn)行研究。也就是說測試系統(tǒng)既要構(gòu)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(gòu)架及實時通信就成為測試系統(tǒng)要解決的主要內(nèi)容。
    為此，構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN總線屬于現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)。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(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，從而使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點配置更加靈活。同時在總線上傳輸?shù)墓?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(dá)1 Mbps。
    測試系統(tǒng)由基于CAN總線的分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(diào)測試系統(tǒng)中各部分的工作，存儲子節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，輸出處理結(jié)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(diào)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(gòu)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(diào)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(shù)用于流動場特性的研究。數(shù)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(diào)度
    CAN總線采用非破壞的逐位仲裁技術(shù)，當(dāng)2個或2個以上節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。在競爭中被取消發(fā)送權(quán)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(shù)據(jù)需要傳送時，會造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載繁重，有可能導(dǎo)致其他優(yōu)先級較低的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延時的不確定性，使整個網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行總線調(diào)度。首先需要將CAN的數(shù)據(jù)幀的仲裁字段劃分為優(yōu)先級標(biāo)識和幀標(biāo)識兩部分，幀標(biāo)識部分與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀標(biāo)識符意義相同，而優(yōu)先級標(biāo)識部分只表示數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，它根據(jù)總線調(diào)度機制分配給數(shù)據(jù)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(biāo)識位數(shù)，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(shè)為kn，其中n為數(shù)據(jù)自首次發(fā)送以來，仲裁失敗的次數(shù)，k為權(quán)重，k值越大，數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級隨仲裁失敗次數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)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(jù)系統(tǒng)需要獨立完成數(shù)據(jù)采集、控制等任務(wù)，另一方面能夠與系統(tǒng)其他節(jié)點進(jìn)行參數(shù)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(qū)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(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)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(dāng)節(jié)點位于CAN總線終端時，用跳線選擇加上120 Ω的電阻?？偩€連接介質(zhì)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(shè)計?？紤]到各智能節(jié)點所要實現(xiàn)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(jìn)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(xiàn)CAN總線應(yīng)用層功能，MCP25lO和MCP2551實現(xiàn)CAN總線物理層和數(shù)據(jù)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(shù)規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴展報文，同時具有驗收濾波和報文管理功能。它內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器。MCU能通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口完成對MCP2510的初始化、工作狀態(tài)控制以及數(shù)據(jù)的讀寫，SPI最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5 Mbps。此外，MCP2510還具有靈活的中斷管理能力，產(chǎn)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(shè)計
    CAN總線節(jié)點的接口軟件為應(yīng)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(xiàn)細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用層面向通信是透明的。通信接口程序主要包括初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收3個部分。完成這3部分程序的編制后，就能進(jìn)行一般的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。
    MCU對MCP2510的初始化操作包括設(shè)置SPI數(shù)據(jù)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(biāo)志位等。系統(tǒng)中所有節(jié)點設(shè)置為同一通信波特率，否則設(shè)備間將無法正常通信。
    CAN初始化完畢后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)接收的實時性，各節(jié)點根據(jù)需要主動進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，而數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式。
    發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)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(biāo)志來判斷報文是否發(fā)送成功。
    總線報文通過中斷方式進(jìn)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(yīng)的中斷標(biāo)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(shè)置節(jié)點MCP2510的驗收濾波器，既可以實現(xiàn)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(xiàn)一點對多點的廣播式通信，使整個數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活。

4 實驗結(jié)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(jìn)行了CAN總線通信實驗。實驗中，總線通信波特率設(shè)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(shù)據(jù)的符合CAN2．0B規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，子節(jié)點收到數(shù)據(jù)后在ID中加入節(jié)點號將數(shù)據(jù)返回，主節(jié)點通過比較前后數(shù)據(jù)，若一致則認(rèn)為通信正常，反之則記為一次誤碼，如果在限定時間內(nèi)有子節(jié)點的數(shù)據(jù)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(jié)束。測試結(jié)果如表1所示。在進(jìn)行的100萬輪通信中，網(wǎng)絡(luò)運行良好，無誤碼或斷線情況出現(xiàn)，平均每輪通信用時1．673 ms。

5 結(jié)束語
    所設(shè)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(diào)配下獨立完成某些測試任務(wù)，又能通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息集中傳入上位PC，便于系統(tǒng)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理和信息融合。由通信實驗的結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中能實時、可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行傳輸。
    優(yōu)先級晉升算法的應(yīng)用很好地解決了當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，可能出現(xiàn)的優(yōu)先級較低的節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送延時的不確定性甚至丟失數(shù)據(jù)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(nèi)外空白領(lǐng)域，在性能指標(biāo)的確定和測試對策上進(jìn)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(chǎn)品的研發(fā)和老產(chǎn)品的改造，對最終國家制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也將起到積極作用。