基于CAN总线的淋浴喷头喷射流动场测试系统

摘要：研制淋浴喷头喷射流动场测试系统有助于对淋浴喷头综合性能进行评价，进而提高产品质量、开发新产品。在分析了淋浴喷头喷射流动场性能指标及测试对策的基础上，构建了基于CAN总线的测试系统，并采用优先级晋升算法进行总线调度。给出了CAN节点通信部分的硬件电路和程序设计方法，并在硬件上加入了多种抗干扰措施。实验结果证明，系统通信质量良好。该测试系统具有组态灵活、实时性好、可靠性高等特点。
关键词：CAN总线；淋浴喷头；喷射流动场；测试系统；优先级晋升算法

0 引言
在现代社会中，淋浴喷头已成为人们生活中的必需品。对其性能的评价，除结构、耐用、水流方式等指标外，最终目标应是在节水、节能的前提下，人所感受的舒适与清洁效果。水流经过喷头后被分散成束状水滴喷射出去，水滴的大小、打击力以及喷洒的范围等会直接影响淋浴效果。喷射出的淋浴水在三维空间中形成的是一个流动场，各参量会随着高度的变化而不断改变。通过对淋浴喷头喷射流动场的测试，将流动场的各个性能指标综合起来分析将十分有助于对喷头整体性能的评价。
在家用淋浴喷头喷射流动场的测试方面，国内外几乎是空白。但在工业和农用植保喷头的性能测试领域，国内外都进行了一定的研究。例如美国喷雾系统公司针对高压喷雾喷头研制的喷雾粒子打击力自动测试系统，由特殊结构的测压元件采集的信号经计算机处理后能生成粒子撞击的3D图像，方便对喷雾粒子的击打力和喷雾场进行全面研究；Sangon Park针对发动机喷嘴，通过激光诱导荧光法测量液滴直径，由激光衍射法获取分布信息；柳平增、丁为民等人研制的植保喷头综合性能测试实验台，分流量的采集由重量传感器和采集卡配合完成，用图像处理技术实现对喷雾角的测量。不过由于淋浴喷头与工业和植保喷头的喷射性能不尽相同，而且已做研究大多针对单一性能的测试，无法对喷射流动场特性进行综合分析。为此，需要研究开发一套专用的淋浴喷头喷射流动场测试系统。

1 测试系统构建
1．1 淋浴喷头喷射流动场性能指标及测试对策分析
水流对人体的打击力和水温是淋浴喷头喷射流动场特性的主要参数，也是衡量淋浴喷头洗浴效果和舒适性的重要指标。喷射出的淋浴水，无论是在垂直方向还是在水平面上不同点之间参数各异。而且，人们在使用过程中的感受，随高度和受力面积的不同而不同，所以研究喷头流动场特性需对打击力场和温度场进行检测。另外考虑在不同温度下，人体对打击力的感受是不同的，而且大多数情况下温度变化对力传感器有影响，需要进行温度补偿，因此，在构建测试平台时，将打击力场和温度场的检测设置在一个智能模块下。
结构不同的淋浴喷头在不同条件下喷射流动场的轮廓、水流方式和分布各异，在这个三维场中每一采样点对应温度、打击力、流速等多个参数。获取喷射场形态图像能够将采样点的参数与三维图对应起来，有助于建立更加清晰直观的喷射流动场特征数据库。同时，采集的喷射图像也是获得喷射流动场特性的重要来源，通过图像处理可以得到喷射角、气液比、流速等多个特征参数。因此，在测试系统中，需要获取喷射流动场的图像信息。
对淋浴喷头而言，在获得相同喷射效果的同时，流量越小的越节水。但是，如果水压太低或者不稳定，水流达不到一定的喷射效果，就谈不上节水了。另外，水温的高低对喷射场的雾化性能有影响，会引起周围环境温度、湿度的改变。因此在对喷头喷射流动场特性进行研究时，需要采集流量、水压、水温和环境温湿度等一些过程参数。
1．2 喷射流动场测试系统
淋浴喷头喷射流动场测试系统一方面要能够全面获取反映其性能的各项指标，另一方面需要对所获取的数据进行处理和融合，以对喷射流动场综合性能进行研究。也就是说测试系统既要构建基于某些方面性能的独立测试子系统，又要能够方便地将各个子系统联系起来。那么，系统构架及实时通信就成为测试系统要解决的主要内容。
为此，构建了一套基于CAN总线的淋浴喷头喷射流动场测试系统，其总体结构如图1所示。CAN总线属于现场总线的范畴，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而对通信数据块进行编码，从而使网络中节点配置更加灵活。同时在总线上传输的节点信息可被定义为不同的优先级，满足不同的实时要求，通信速度最高可达1 Mbps。[p]
测试系统由基于CAN总线的分布式网络构成，包括1个主节点和4个子节点。主节点PC作为整个系统的上位机，是整个测试系统的综合管理平台，能通过图形化的界面完成各种操作，协调测试系统中各部分的工作，存储子节点上传的数据并对数据进行综合处理，输出处理结果。温水控制节点保证为实验装置提供稳定(已知)温度和压力的水源；打击力温度场测试节点可以调节测试台与喷头之间的距离，获取各高度平面上的打击力和温度信号，用于构成打击力场和温度场；喷头控制节点能控制喷头在支架上作水平移动，并可以调节喷头的角度，来模拟淋浴喷头在实际使用中的情况；另外，通过过程量采集节点获取流量、压力、温度、湿度等一些过程参数用于流动场特性的研究。数字高速摄像机将捕获的喷射图像通过IEEEl394卡传入PC。

2 基于优先级晋升算法的系统调度
CAN总线采用非破坏的逐位仲裁技术，当2个或2个以上节点同时向网络上传送数据时，总线通过仲裁，使优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据。在竞争中被取消发送权的节点将等待下一个总线空闲期自动地再尝试发送。在系统运行过程中，某些节点(如打击力场温度场测试节点)不断有大量数据需要传送时，会造成网络负载繁重，有可能导致其他优先级较低的节点数据传输延时的不确定性，使整个网络实时性和可靠性大大降低。
为此，测试系统采用了优先级晋升算法进行总线调度。首先需要将CAN的数据帧的仲裁字段划分为优先级标识和帧标识两部分，帧标识部分与传统的数据帧标识符意义相同，而优先级标识部分只表示数据帧的优先级，它根据总线调度机制分配给数据帧的优先级的变化而变化。在系统中有个优先级队列，每个节点仅存储本节点在队列中的位置，其值PRIi=PRIi0-fi(t)。PRIi0。为节点的初始位置，PRIi0=-(2l-l-xi0)，l为优先级标识位数，xi0为系统分配的初始优先级因子。fi(t)为优先级晋升项，t可以是排队时间，这里fi(t)设为kn，其中n为数据自首次发送以来，仲裁失败的次数，k为权重，k值越大，数据帧的优先级随仲裁失败次数的增加晋升越快。这样，PRIi=(2l-1-xi0)-kn，优先级晋升的算法流程如图2所示。随着节点数据优先级的提高，发送成功的概率也增大了。通过提高优先级发送成功的节点数据在发送成功后，再把其优先级降为初始优先级。

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3 智能节点通信接口设计
挂接在CAN总线上的智能节点在该分布式测试系统中一方面能根据系统需要独立完成数据采集、控制等任务，另一方面能够与系统其他节点进行参数同步和信息传递。
MCP2551是CAN控制器与物理总线接口的芯片，它用于增强总线的驱动能力，从而增加cAN总线的通信距离并使得总线上可以挂接更多的节点。
为保证整个测控系统的稳定性和CAN总线通信的可靠性，在硬件上加入了多种抗干扰措施。在电路板的电缆入口处使用的LC滤波器，可以滤除CAN总线电缆中传导的各种高频干扰信号。瞬态抑制二极管TVS并联在信号线和信号地线之间，用来释放电缆受到雷击或静电放电时产生的浪涌高压。在MCP2510和MCP2551之间使用的2个光耦6N137，能很好地解决传导干扰问题，具有良好的电绝缘和抗干扰效果。隔离型DC／DC芯片B050S-1W将光耦两端电源隔离开。另外，为了匹配总线阻抗和消除传输线上的信号反射，当节点位于CAN总线终端时，用跳线选择加上120 Ω的电阻。总线连接介质选用屏蔽双绞线，屏蔽层接地。
3．1 通信接口硬件电路
系统中除主节点通过PCI-CAN适配卡接入CAN总线外，各子节点与总线的接口需要自行设计。考虑到各智能节点所要实现的功能各不相同，为使微处理器能有更灵活的选择，同时方便通信程序的移植，加快开发进度，系统中子节点均使用相同的独立CAN总线控制器。子节点通信模块的硬件电路如图3所示，主要由微处理器(MCU)、CAN控制器MCP2510和CAN收发器MCP2551组成。其中，MCU实现CAN总线应用层功能，MCP25lO和MCP2551实现CAN总线物理层和数据链路层功能。

MCP2510是一款带SPI接口的独立CAN控制器，完全支持CAN总线V2．0A／B技术规范，能够发送和接收标准和扩展报文，同时具有验收滤波和报文管理功能。它内含3个发送缓冲器、2个接收缓冲器。MCU能通过标准的SPI接口完成对MCP2510的初始化、工作状态控制以及数据的读写，SPI最高数据传输速率可达5 Mbps。此外，MCP2510还具有灵活的中断管理能力，产生的中断可以反馈给MCU来处理，满足不同的实时操作需求。
3．2 通信接口程序设计
CAN总线节点的接口软件为应用层访问CAN控制器MCP2510提供了一个便捷通道，该通道屏蔽了MCP2510工作的实现细节，使得应用层面向通信是透明的。通信接口程序主要包括初始化、数据的发送和数据的接收3个部分。完成这3部分程序的编制后，就能进行一般的数据发送和接收。
MCU对MCP2510的初始化操作包括设置SPI数据传输速率、CAN通信波特率、滤波寄存器和屏蔽寄存器以及中断允许标志位等。系统中所有节点设置为同一通信波特率，否则设备间将无法正常通信。
CAN初始化完毕后，方可进行数据的接收和发送。为保证发送数据的完整性和数据接收的实时性，各节点根据需要主动进行数据的发送，而数据的接收采用中断方式。
发送数据时，将待发送的数据打包成符合CAN协议帧格式的报文后写入发送缓冲器，并启动发送。在写发送缓冲器前先查询其状态，只有在有空闲的发送缓冲器时才将报文写入。启动发送后，通过查询状态寄存器或发送成功中断标志来判断报文是否发送成功。
总线报文通过中断方式进行接收，此中断在接收缓冲器满时被触发。报文传至某一接收缓冲器后，与该接收缓冲器对应的中断标志寄存器的RXNIF位将置1。一旦缓冲器中的报文处理完毕，MCU将该位清除等待接收下一条报文。该控制位提供的锁定功能确保在MCU尚未处理完上一条报文前，MCP2510不会将新的报文载入接收缓冲器。[p]
通过设置节点MCP2510的验收滤波器，既可以实现测试系统中节点与节点之间的点对点通信，也可以实现一点对多点的广播式通信，使整个数据通信网络更加灵活。

4 实验结果
为了验证测试系统CAN总线通信的速率、可靠性和稳定性，进行了CAN总线通信实验。实验中，总线通信波特率设为500 Kbps，主节点以广播的方式向4个子节点发送含8字节有效数据的符合CAN2．0B规范的标准数据帧，子节点收到数据后在ID中加入节点号将数据返回，主节点通过比较前后数据，若一致则认为通信正常，反之则记为一次误码，如果在限定时间内有子节点的数据未返回则记为1次断线。全部成功返回或断线均看作一轮通信结束。测试结果如表1所示。在进行的100万轮通信中，网络运行良好，无误码或断线情况出现，平均每轮通信用时1．673 ms。

5 结束语
所设计的淋浴喷头喷射流动场测试系统，通过CAN总线将各功能模块连接起来，形成了一个有机整体，使得系统中每个智能子节点既可以在主节点(PC)的调配下独立完成某些测试任务，又能通过网络将采集的数据、工作状态等信息集中传入上位PC，便于系统进行综合数据处理和信息融合。由通信实验的结果可以看出，数据在系统网络中能实时、可靠、稳定地进行传输。
优先级晋升算法的应用很好地解决了当总线网络负载较大时，可能出现的优先级较低的节点数据发送延时的不确定性甚至丢失数据的问题，提高了系统的实时性和可靠性。
对淋浴喷头喷射流动场测试这一国内外空白领域，在性能指标的确定和测试对策上进行了探索性研究。测试系统的研制成功为评价淋浴喷头综合性能提供了重要手段，有利于新产品的研发和老产品的改造，对最终国家制定相关标准也将起到积极作用。