（机械制造及其自动化专业论文）基于蓝牙的结晶器振动检测系统研制.pdf

摘要 结晶器振动对钢铁连铸生产具有重要的实际意义，其振动状态是否正常直接影响炼钢 生产工艺过程。结晶器按正常状态进行振动时能够防止坯壳与结晶器粘结，能使拉裂的坯 壳愈合，防止漏钢，此外能够改善铸坯的表面质量。因此，对结晶器振动状态进行检测是 非常有必要的。针对当前结晶器振动检测系统存在的成本高、体积大、难于安装维护等问 题，提出了一种基于蓝牙的结晶器振动检测系统，根据系统检测任务的不同，将系统分为 上位机系统与下位机系统，上下位机通过蓝牙实现无线通信，取代了有线线缆通信。 下位机系统主要实现结晶器振动数据的采集、a d 转换及振动数据的无线发送。上位 机系统主要对下位机采集的结晶器振动数据进行分析、处理，并将检测的结果以图形和数 字的方式进行显示，从而实现对结晶器振动状态的检测。此外通过频谱分析可对结晶器振 动故障进行诊断。 对下位机系统的硬件电路实现及应用程序设计进行了详细阐述，按照下位机系统实现 的功能，将下位机硬件电路分成数据采集模块硬件电路和数据无线发送模块电路，分别介 绍了各模块的实现原理及具体实现方法。结合结晶器振动检测的需求，对上位机系统运行 平台进行选型，分析了上位机软件需求，并采用多线程技术及模块化的设计思想对上位机 应用程序进行设计。在基于模块化设计思想上，对上位机软件进行模块划分，并对各模块 的功能及具体实现方法进行了详细介绍。为了提高系统检测的移动性及便利性，通过蓝牙 实现上下位机的无线通信，结合本系统对数据传输的要求，具体采用蓝牙h c ir s 2 3 2 传 输层实现数据的无线传输，对其实现方法进行了详细阐述。 根据以上研究的内容，搭建了基于蓝牙的结晶器振动检测系统，并在自主研发的结晶 器振动模拟试验台上进行测试。测试结果表明，本系统运行稳定、性能可靠，检测的结果 与模拟试验台设定的结果误差很小，能有效的反应结晶器实际振动状况，在钢铁行业具有 广阔的应用前景。 关键词：结晶器；振动检测；蓝牙技术；无线通信；上下位机 a b s t r a c t m o l dv i b r a t i o nt a k e sg r e a ti m p a c to ns t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n ，w h e t h e rt h em o l dv i b r a t i o ni s n o r m a la f f e c t st h ep r o c e s so fs t e e lp r o d u c t i o nd i r e c t l y i tc a l lm a k et h es o l i d i f i e ds h e l lh e a lr u p t u r et op r e v e n t b r e a k o u t a n dc a nh e l pb i l l e tl u b r i c a t i o nt oe l i m i n a t ea d h e s i o n , a n dc a ni m p r o v et h es l a bs u r f a c eq u a l i t yw h e n m o l dv i b r a t i o ni sn o r m a l t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt od e t e c tt h es t a t u so fm o l dv i b r a t i o n am o l dv i b r a t i o n d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nb l u e t o o t hw a sp r o p o s e dt or e s o l v et h ep r o b l e m so fc u r r e n tm o l dv i b r a t i o nd e t e c t i o n s y s t e m ，s u c ha sh i i g hc o s lm a s sv o l u m e ，i n c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h i ss y s t e mw a s d i v i d e d i n t ou p p e rp o s i t i o nc o m p u t e r ( u p c ) a n dl o w e rp o s i t i o nc o m p u t e r ( l p c ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ta c h i e v e s f u n c t i o n so ft h es y s t e m t h el p ca n du p cr e a l i z ed a t aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nv i ab l u e t o o t ht e c h n o l o g y , w h i c hr e p l a c e st h ew i r e dc o m m u n i c a t i o nc a b l e m o l dv i b r a t i o nd a t ac o l l e c t i o n a dc o n v e r s i o n 。a n dd a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nw e r ec o m p l e t e di nl p c t h eu p cm a i n l yr e a l i z e dt h ev i b r a t i o nd a t aa n a l y s i sa n dd a t ap r o c e s s i o n ，a n dd i s p l a y e dt h ed e t e c t i o nr e s u l t s i nt h ew a yo fg r a p h i c sa n dd i g i t a l t h es y s t e mn o to n l yr e a l i z e dt h ed e t e c t i o no fm o l dv i b r a t i o np a r a m e t e r s ， b u ta l s or e a l i z e dt h ef a u l td i a g n o s i sb ys p e c t r a la n a l y s i so fm o l dv i b r a t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n da p p l i c a t i o np r o g r a mo fl p cw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n s o fl p c t h eh a r d w a r ec i r c u i tw a sd i v i d ei n t ot w op a r t s ，t h a ti s ，d a t ac o l l e c t i o nm o d u l ea n dd a t aw i r e l e s s t r a n s l a t i o n ，t h ep r i n c i p l ea n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n so ft h o s ew e r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y r u n n i n g p l a t f o mo fu p cw a ss e l e c t i o na c c o r d i n gt ot h en e e d so fm o l dv i b r a t i o nd e t e c t i o n s o f t w a r er e q u i r e m e n t so f u p cw e r ea n a l y z e d a n dm u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g ya n dm o d u l a rd e s i g nw e r ea d o p t e di nt h ep r o g r e s so f u p ca p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n t h ep r o g r a mo fu p cw a sd i v i d e di n t od i f f e r e n tm o d u l e sb a s e do nm o d u l a r d e s i g nc o n c e p t a n dt h ef u n c t i o na n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l ew e r ed e s c r i b e di n d e t a i l b l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sa d o p t e di no r d e rt oi m p r o v et h em o b i l i t ya n dc o n v e n i e n c eo f s y s t e md e t e c t i o n c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fs y s t e md a t at r a n s m i s s i o n ，t h es p e c i f i cb l u e t o o t hh c i r s 一2 3 2t r a n s p o r tl a y e rw a su s e dt or e a l i z ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd a t aa n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n m e t h o dw e r eh i g h l i g h t e d m o l dv i b r a t i o nd e t e c t i o ns y s t e mw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s a n dt h et e s t sw e r ec o m p l e t e d i nm o l dv i b r a t i o ns i m u l a t i o nt e s tb e n c hw h i c hw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y t e s tr e s u l t s p r o v e dt h a tt h es y s t e mr u n ss t a b i l i t ya n dh a sg o o dp e r f o r m a n c e m o r e o v e lt h ee r r o rb e t w e e nd e t e c t i o nr e s u l t s a n dt h es e t t i n gv a l u e so fs i m u l a t i o nt e s tb e n c hw a ss m a l l ，w h i c hc a nb ee r i e c t i v er e s p o n s et h em o l da c t u a l v i b r a t i o nc o n d i t i o n s t h es y s t e mw i l lh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si ni r o na n ds t e e li n d u s t r y k e yw o r d s ：m o l d ；v i b r a t i o nd e t e c t i o n ；b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；u p p e r l o w e r p o s i t i o nc o m p u t e r i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 甘瘸 签字日期：沙p 年；月f 驴同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：甘病 导师签名： 签字日期：矽p 年月f 3 日签字日期：砂戽弓月舶 致谢 在论文即将结束之际，谨向所有关心、支持和帮助过我的良师益友和亲人们表示衷心 的感谢，祝愿你们永远幸福健康。 首先感谢我的导师李培玉副教授。自攻读硕士学位开始，李老师始终关心我的学习、 成长。李老师渊博的学术知识、丰富的实践经验、敏捷的思维方式、求是的治学态度、坦 诚的待人之道，令我受益匪浅，不仅获得宝贵的学术知识，更学到了求是做人的道理。在 此谨向尊敬的李老师致以深深的谢意，谢谢您的教诲! 感谢振动研究室的何闻教授和魏燕定教授在学业上给予我的帮助与指导，你们渊博的 学术知识、孜孜不倦的工作态度、平易近人的处事作风深深的影响着我。 感谢实验室的各位成员，跟你们一起学 - - j 非常愉悦，并学到了很多知识，谢谢你们的 无私帮助，祝愿你们一帆风顺、前程似锦。特别感谢谭大鹏博士、江俊博士生，陈尚俭硕 士、郑俊硕士，在论文的研究和写作过程中给予我大量的指导和帮助。感谢沈国振硕士生、 王亮硕士生、王部军硕士生、郝明金硕士生和王团结硕士生，和你们一起学习非常愉悦。 感谢王国春工程师，在硬件电路方面，给予我很多指导与启发。感谢林博宇硕士、徐立硕 士、王江峰硕士，谢谢你们的鼓励与支持。 感谢室友郭文正博士生、李正祥硕士生和阚宗挺硕士生在生活和学习上给予的帮助， 与你们一起生活、学习，体会到了家的温暖，让我在攻读硕士学位期间度过了快乐的时光， 在此祝你们生活快乐、工作学习顺利。 感谢我的父母及家人，是你们始终如一的支持和关怀我的多年求学之路，你们的鼓励 是我不断前进的源泉。 最后，谨向在百忙之中抽出宝贵时间评审本论文的专家致以诚挚的谢意! 甘涛 二零零九年十二月于求是园 浙江大学硕十学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着现代工业的快速发展和科学技术的突飞猛进，钢铁需求日益增加。为了提高钢铁 生产率、成材率以及节约能源，钢铁生产中普遍采用连铸技术。利用连铸技术生产钢材的 产量占总产量的比重称为连铸比( c o n t i n u o u sc a s t i n gr a t i o ，c c r ) 。发达国家的c c r 一般在 9 5 以上，有些国家如意大利已经达到1 0 0 。我国的c c r 为9 4 8 ，高于世界平均水平 9 0 5 1 1 1 2 1 。然而我国钢材质量却处于较低水平，出口钢材以低附加值的普通钢材为主，而 用于制造精密机械、仪表以及轿车的高质量钢材基本依靠进口。在这种高c c r 、低钢材 质量的形势下，提高我国钢铁企业的连铸生产工艺水平与竞争能力就显得尤为迫切。 结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备和关键技术。结晶器的功 能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出热量，使之逐渐凝 固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯；并使这种芯部仍为液态的铸坯，连续不 断的从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造条件 3 1 。最初的连铸 机结晶器是静止的，在拉坯过程中极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动或拉漏事故。 为了有效防止连铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现拉裂或拉漏事故，从而提 高连铸生产效率及铸坯的表面质量，结晶器必须按给定的振动幅度、振动频率和波形偏斜 特性沿连铸机外弧线运动【3 】【4 】。 结晶器振动状况选择的不同对连铸坯表面质量的好坏产生重要影响，为了保证连铸坯 的质量，需要选择最佳的振动状况【5 1 。因此对结晶器振动状况进行检测是提高我国钢铁企 业连铸生产工艺水平的一个重要环节。 1 2 论文研究背景与意义 1 2 1 结晶器振动技术概述 随着连续铸造技术的飞速发展，连续铸钢目前已经成为现代化炼钢厂成熟的生产技 术。其中高速连铸技术是国内外冶金界努力的方向。高速连铸是以高拉坯速度为核心，生 产高质量、无缺陷的高温铸坯，实现高连铸率、高作业率的技术1 6 1 。 高速连铸设备主要有立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机以及椭圆形连铸机。弧 形连铸机是连铸生产中使用最多的一种机型。图1 是弧形连续弯矫连铸机的连铸过程示意 图：钢水从钢包l 中流入中间包2 ，再进入结晶器3 ，冷却后凝固成各种截面的铸坯。 为了提高连铸生产的效率，采用加快浇铸速度是最有效的途径。但浇铸速度的提高将 1 浙江大学硕士学位论文绪论 会带来连铸机工作稳定性和铸坯表面质量下降等问题，还会使结晶器内凝固壳厚度减薄， 进而使坯壳与结晶器之间的摩擦力增大，增加了漏钢事故发生的概率【7 1 【引。为了减少摩擦 力，防止钢水与结晶器内壁的粘结，改善铸坯的表面质量，结晶器必须沿一定的振动轨迹 相对铸坯进行振动，如按正弦模式振动或非正弦模式振动。 结晶器振动作为连铸技术的一个基本特征。在连铸生产过程中，结晶器与坯壳之间相 互作用来影响坯壳的脱模与生长，结晶器的振动和润滑是关键控制因素。在结晶器振动出 现以前，连铸生产采用固定结晶器进行浇铸，铸坯直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑， 易与结晶器发生粘结，从而导致拉不动或者拉漏事故发生，很难进行浇注。振动结晶器出 现以后，有效的改善了铸坯质量和结晶器界面间的润滑，使得连铸技术在工业上大规模应 用得以实现。因此，结晶器振动是连铸发展的一个里程碑，是浇铸成功的先决条件【9 1 。 1 1 钢包2 中i 司包3 结晶器4 振动装置 5 二次冷却装置6 拉坯矫直机7 铸坯8 切割设备 图1 1 弧形连铸机连铸过程示意图 在结晶器振动技术发展过程中，结晶器振动形式及振动装置结构出现了多种多样的形 式，主要可归纳为如下四种：同步振动( 矩形波) 、负滑振动( 梯形波) 、正弦振动和非正弦 振动【1 0 】【1 1 】。正弦振动是目前连铸生产中广泛采用的振动方式，非正弦振动方式由于其更适 应高拉速连铸过程的特点，已经成为连铸结晶器振动的发展方向1 2 】。结晶器振动波形原理 如图1 2 所示。 广需 n u 浙江大学硕七学位论文 绪论 、 b 非正弦f 一一一一一 s _ 一b 广。z 。 ， v c 。二o么么 ”f k 弦 g i * l i a j 图1 2 结晶器正弦振动和非正弦振动波形图 结晶器按正弦方式进行振动，具有设计简单、惯性矩小、颠簸小( 加速度随时间的变 化小) ，因此，在目前炼钢厂中结晶器振动普遍采用正弦波振动方式。结晶器振动使结晶 器内壁获得良好的润滑条件，减少摩擦力并能防止钢水与内壁的粘结，同时改善钢坯的表 面质量，杜绝钢坯缺陷的出现【1 3 】。 如果结晶器振动颠簸大，可能引起颤动、噪声和可动部件与轴承的磨损，同时结晶器 振动会使连铸坯表面形成振痕1 4 】【1 5 】。振痕的危害是多方面的：振痕较深时可能在矫直时产 生横裂，或严重时将引起拉漏；振痕谷底的夹渣、成分偏析将影响轧材的成分均匀和力学 性能。较深的振痕还将在冷轧或热轧带卷上产生振痕条纹或振痕裂纹，严重影响钢的表面 质量。为了使钢的表面质量最好，就需要调整结晶器的振动状况，而决定结晶器振动状况 的参数包括结晶器的振动幅度、振动频率和振动波形平稳性等【4 】【5 1 ，因此振动幅度和振动 频率作为结晶器振动的两个重要参数，它们的选择是否恰 - 3 ，直接关系到铸坯的表面质量 和生产能否顺利进行。 结晶器振动时，从平衡位置运行到最高( 或最低) 位置或者从最低( 或最高) 位置上升( 或 下降) 到平衡位置所移动的距离，即为振动幅度( 简称振幅) ，通常用符号a 表示，单位为 m i i l 。从工艺角度讲，振幅小，结晶器内钢液面波动小，对操作和液面控制都有利，同时 对减小拉裂与减轻铸坯表面振痕、提高表面质量都很有利。以前，结晶器的振幅多为 1 0 1 5 m m ，近年来，振幅日趋减小，通常采用3 8 m m ，有的已减小到2 m m 【16 1 。而振动频 率( 简称振频) 是指结晶器每分钟振动的次数，通常用符号f 表示，单位为c p m ( 次分钟) 。 从工艺上看，振频越高，铸坯处于较大的动状态中，这对防止粘结、脱坯都有利。近年来， 振动频率趋于增高。据调研，有的结晶器振动频率高达4 0 0 5 0 0 c p m ，但在实施中可能会 3 浙江大学硕上学位论文 绪论 遇到问题。以前的结晶器振动频率多为3 0 6 0 c p m ，近年来多采用1 0 0 2 0 0 c p m t l 5 】【1 6 】。 另外，结晶器的振动可能存在偏振( 偏振主要由于连杆偏心轮振动机构4 个偏心轮轴 之间的振幅及相位偏差过大引起的，但在液压振动方式下这种情况不明显) ，结晶器纵向 和横向同时振动使轴心运动轨迹偏离严重，使结晶器出口处坯壳受到较大应力产生裂纹， 容易产生漏钢事故。所以，保持结晶器偏振最小，对表面质量的提高和避免漏钢事故的产 生十分重要【1 3 1 。 由上分析可知结晶器振动是连铸技术的重点，其运行状态是否正常直接影响炼钢生产 工艺过程。结晶器振动装置上下运动使得铸坯得以强制脱模；防止初生坯壳与结晶器粘结， 如果坯壳与结晶器发生粘连拉裂，由于结晶器的振动也可以得到愈合，防止漏钢；同时能 够改善铸坯的表面质量。因此，对结晶器振动状况的进行检测非常重要而且是必要的。 1 2 2 结晶器振动检测发展概况 结晶器振动检测的主要目的是能够准确的记录结晶器振动的相关参数，并测量相应的 振动波形曲线，为以后炼钢做依据。连铸设备在不同的拉速下炼钢，结晶器的振动幅度和 振动频率都不一样【1 7 】【1 8 】，检测人员的工作就是用检测设备对不同拉速下结晶器的振动状况 进行检测，准确的记录下各种状况下结晶器的振动参数情况。其中，连铸坯表面质量最好 时刻的结晶器振动参数是最重要的。以后炼同钢种时只需用结晶器检测设备作测量标准， 把结晶器振动参数调整到该记录值即可使炼出钢的质量最好。为此，国内外采用了多种方 法对结晶器振动状况进行检测，如传统人工检测方法、在线检测方法【19 】【2 0 1 、离线检测方法 2 1 1 等，以下对各种检测方法进行分析与讨论。 ( 1 ) 传统人工检测方法 人工检测方法是最原始的方法，就是检测人员用游标卡尺测量结晶器振动幅度、用秒 表测量振动频率的方法。采用人工检测方法对一般的结晶器振动检测而言也能达到要求， 检测方法操作简单，检测成本低。但是，人工检测方法测量的值存在较大误差，很难反映 设备的实际运行状况，对实际炼钢生产的指导意义不大。 ( 2 ) 在线检测方法 在线检测方法可随时掌握设备的运行状态，了解结晶器振型随拉速而改变的规律及各 项偏差与拉速的关系。并且可以全面的记录下各种连铸坯表面质量最好时结晶器振动参数 状况，为下次炼钢生产做参考。 在线检测方法对结晶器振动幅度的检测，一般都采用位移传感器【2 2 1 。采用位移传感器 的优点是直接得到位移信号，频率下限可接近直流，缺点是拆卸安装非常复杂，需将传感 4 浙江大学硕上学位论文 绪论 器外壳固定在机架上。由于炼钢现场工作环境湿度大、温度高，环境非常恶劣，位移传感 器的使用寿命比较短；此外在线检测设备硬件基本采用基于p c 平台与采集控制卡的方式， 而传统的商用p c 平台稳定性差、不够坚固耐用，防尘、防震、防电磁干扰的效果差，而 且集成度不高，显示器、鼠标、键盘都要通过线缆与主机进行连接，导致各种线缆杂乱无 章，不仅影响美观和工作效率，而且极易出现问题，不太适合在生产线上使用。大型在线 检测系统虽解决了一些问题，但由于采用专用的控制平台，专用的控制软件，成本高，开 发周期长。 ( 3 ) 离线检测方法 离线检测方法是检测人员在现场安装传感器，通过电缆线把各路传感器采集的信号传 入主控室中的数据采集卡，数据采集卡再通过u s b 接口把数据发送给笔记本电脑，最后 由安装在笔记本电脑中的检测分析软件对采集上来的数据进行处理、记录【2 1 1 。 离线检测方法一般作为结晶器设备安装调试前的检测手段，离线检测方法具有成本 低、适用面广、系统构成灵活，有较好的扩展性和通用性，目前国内外大部分采用离线检 测方法。但是，现有的离线检测系统和在线检测系统一样存在着设备硬件体积大、集成度 低、使用不方便、且每次检测时都要在现场安装传感器并布置电缆线等缺点。由于炼钢现 场环境湿度大、温度高，电缆线一旦损坏，将给检测带来极大不便。 根据以上对结晶器振动技术的概述以及对现有结晶器振动检测技术的特点分析，针对 现有结晶器振动检测系统存在的缺点，迫切需要开发一种针对性强、成本低、体积小、安 装操作方便、性能可靠的结晶器振动检测系统。 1 2 3 基于蓝牙的结晶器振动检测方法 在分析现有结晶器振动检测系统的不足与缺点之后，本文提出了基于蓝牙的结晶器振 动检测方法。该方法采用蓝牙技术实现结晶器振动数据的无线采集及发送，从而将数据采 集系统与数据分析系统分离，提高了检测的便利性，解决了目前检测方法中传感器安装困 难、线缆布置复杂、线缆易损坏等问题。 蓝牙技术是一种低功耗、短距离的无线通信技术，能够方便的代替传统的有线电缆连 接。蓝牙技术相对于当前流行的短程无线通信技术，如i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术、 h o m e r f 家用无线局域网技术、红外通信技术等，具有自己独特的优势【2 3 1 ： ( 1 ) 功耗低、辐射小、成本低； ( 2 ) 采用全球通用的2 4 g h z 频段，体积小； ( 3 ) 采用跳频和频率扩展技术，具有较强的抗干扰性能； 气 浙江大学硕十学位论文绪论 ( 4 ) 采用加密安全机制，保证数据的可靠传输，提高传输的安全性； ( 5 ) 支持点对多点的通信，可同时对多台结晶器振动状态进行检测。 因此，采用蓝牙技术实现无线通信具有成本低、体积小、功耗低、移植性强，安全可 靠等优点，特别适合集成到便携式设备、计算机外设等数字设备中。 本文将蓝牙技术与结晶器振动数据采集技术相结合，研制出集数据采集与无线数据传 输下位机系统，进而将采集的数据无线发送给上位机系统进行分析、处理及显示的结晶器 振动检测系统相比目前的结晶器振动检测系统具有以下特有的优势： 1 、数据采集系统与数据分析系统分离，便于安装、操作，提高了系统检测的移动性 和便利性。 2 、体积小，安装方便，携带方便，能够实现即用即拿，不用即拆。操作简单，对现 场检测人员技术不做过多技术要求。 3 、满足现场苛刻的环境。结晶器振动检测现场环境湿度比较大、温度高，一些较大 的仪器不适合在这种环境下长期检测，而且线缆容易损坏。本检测系统由于采用蓝牙实现 无线通信，取代了有线线缆的连接，无需考虑线缆布线等问题。此外，系统采用锂电池供 电，不受现场电源的限制。 1 2 4 论文研究意义 本结晶器振动检测系统的研制，对结晶器振动状况的检测与分析提供了可靠工具。现 场操作人员可以利用系统的分析端设备在炼钢现场对多台分散的结晶器设备进行检测记 录，预防事故发生；同时也能够在p c 机上对历史数据实现全面分析，合理地调节振动及 工艺参数，它的研制不仅能够预防生产事故的发生，而且对于提高连铸生产质量和连铸生 产效率具有重要的现实意义。 1 3 论文研究内容及组织架构 1 3 1 论文研究内容 本文以连铸过程中的结晶器振动检测为研究背景，结合无线蓝牙技术，研制出基于蓝 牙的结晶器振动检测系统。本系统按功能要求分为上、下位机系统：下位机系统主要实现 结晶器振动数据的采集及数据的无线发送；上位机系统主要实现振动数据的分析、处理、 显示及与下位机交互；上下位机通过蓝牙进行无线通信。具体包括以下几个方面： 1 、研究无线蓝牙技术、利用蓝牙技术实现上下位机之间的无线通信，并根据系统的 实际需求对蓝牙模块进行选型。 6 浙江大学硕十学位论文 绪论 2 、研究并设计了基于m s p 4 3 0 的下位机系统，主要包括下位机主控芯片的选型，下 位机数据采集系统的硬件平台设计，下位机数据线无线发送系统硬件平台设计，m s p 4 3 0 单片机与蓝牙模块之间的h c ir s 2 3 2 通信设计，以及下位机数据采集软件与无线传输软 件等设计。 3 、研究并设计了上位机系统，主要包括上位机运行平台选型，上位机软件需求分析， 并在需求分析的基础上，设计上位机应用程序，主要实现与下位机之间的蓝牙无线通信， 实现对结晶器振动数据进行分析、显示等功能。 通过本文的研究工作，设计了一套基于蓝牙的结晶器振动检测系统，为结晶器振动状 况检测提供了有效工具，进而为提高连铸生产质量和连铸生产效率提供了保障。 1 3 2 论文组织架构 第一章阐述了结晶器振动技术，分析了当前国内外针对结晶器振动检测的方法及现 状。针对当前结晶器振动检测系统存在的不足与缺点，提出了本文研制的基于蓝牙的结晶 器振动检测系统，指出了本检测系统的特有优势及意义。最后指出了本文研究的主要内容 与论文组织架构。 第二章介绍了无线蓝牙技术，对蓝牙技术的特点、蓝牙系统的组成及应用、蓝牙协 议栈作简要概述，最后结合本系统的实际需求，选择蓝牙r s 2 3 2 的无线连接实现数据的 无线传输，并对蓝牙主机控制器接口做简要说明，为蓝牙模块的选型及单片机与蓝牙模块 通信设计提供理论基础。 第三章从结晶器振动检测需求着手，提出了系统的总体设计方案，并将整个检测系 统按功能分为上位机系统与下位机系统。对下位机系统所需的微控制器及蓝牙模块进行选 型，对上位机系统所需的运行平台进行选型，并进行上位机软件需求分析，同时指出了上 位机软件设计的思想。 第四章详细介绍了下位机系统设计与实现，给出了下位机系统硬件平台的总体设计 方案，根据方案设计了下位机数据采集电路和数据发送电路，并对各部分原理及功能做详 细说明。最后对下位机软件开发环境做简要介绍，并在此开发环境上实现结晶器振动数据 采集及蓝牙无线传输模块的软件设计，给出了数据采集及无线传输相关的软件流程图。 第五章详细介绍了上位机软件设计与实现，指出了上位机软件设计要点，阐述了上 位机软件的实现流程，根据上位机软件基于模块化的设计思想，对整个软件设计进行模块 划分，具体介绍了各模块的功能及具体实现方法，并重点阐述了蓝牙无线通信的建立及数 据的无线传输，并制定了上位机与下位机问的通信协议。 7 浙江大学硕士学位论文绪论 第六章利用自主设计的结晶器振动模拟试验台对系统进行测试，并对测试结果进行 相关分析，以验证系统检测的准确性和可靠性，为下一步做现场试验奠定基础。 第七章总结本文研究工作，对整篇论文作总体概况和结论性陈述，并对系统的应用 前景进行展望。 浙江人学硕上学位论文无线蓝牙技术 2 无线蓝牙技术 本章引言：由于本文研制的结晶器振动检测系统是通过蓝牙实现数据的无线传输，因此对蓝牙技术要 有深入的了解。本章首先对无线蓝牙技术作简要的概述，其次介绍蓝牙系统的组成、蓝牙工作原理及 其应用前景，并介绍了蓝牙开发模式，最后结合本系统研究的对象，选择蓝牙h c ir s - 2 3 2 传输层实现 无线连接来进行数据的无线传输，并对蓝牙主机控制器接口进行简要的概述。 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种低功耗、短距离无线通信技术，用来取代现有的个人计算机、 打印机、传真机和移动电话等设备接1 3 上的有线电缆。作为一种新技术，蓝牙的主要优点 是：可以方便的建立无线连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较强，使用面广；安全 可靠并且每一台蓝牙设备的地址全球唯一；支持微微网与分散网等组网工作模式。此外， 蓝牙设备功耗低，成本也较低，相对其他通信设备而言，蓝牙设计开发周期短【2 4 】【2 5 1 。 2 1 1 蓝牙技术背景 1 9 9 8 年，爱立信、英特尔、i b m 、东芝和诺基亚等公司组成了蓝牙s i g ( s p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，特别兴趣小组) ，联合制定了近距离无线电通信标准，其目的是实现最高数据传输 速率为1 m b s ，最大传输距离为1 0 m 的无线通信。瑞典爱立信公司将这种无线电技术命名 为蓝牙，它源于为统一瑞典、芬兰、丹麦立下不朽功劳的欧洲中世纪的丹麦国王的名字 - b l u e t o o t h ，象征着蓝牙将成为全球通用、一统天下的无线电技术。蓝牙s i g 是一个制 定蓝牙技术规范和推广蓝牙技术应用的非盈利性组织。其目标是定义一个实际可用的空中 接口及其控制软件标准，用以实现来自不同生产厂商的便携计算机、移动电话机与其他设 备之间的互通性。自1 9 9 8 年蓝牙s i g 成立以来，已经有几千家厂家( 公司) 加入到这个组 织，包括了计算机、通信、电子以及汽车、照相机的所有知名厂商【2 6 1 。 自1 9 9 9 年7 月，蓝牙s i g 正式公布蓝牙1 0 版本规范，将蓝牙的发展推进到实用化 阶段。蓝牙发展至今已经发布了1 1 版本，1 2 版本，并在2 0 0 4 年1 1 月，发布了蓝牙2 0 版本。2 0 版本的蓝牙标准具有更高的数据传输速率，提供的带宽是以前版本蓝牙带宽的 3 倍，并且耗电量更低。 2 1 2 蓝牙技术特点 蓝牙技术提供近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得 近距离内各种设备能够实现无缝资源共享。蓝牙技术希望以相同成本和安全性实现一般电 缆的功能，从而使用户摆脱电缆的束缚。因此蓝牙技术具有以下技术特点【2 7 】【2 8 】【2 9 1 。 0 浙江大学硕士学位论文 无线蓝牙技术 ( 1 ) 使用全球通用的频段 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z 频段，即i s m 频段i s m 频段是指用于工业、科学和 医学的全球公用频段，可以免费使用而不用申请。由于i s m 频段对所有无线电系统都是 开放的频段，为了保证在噪杂的无线环境中安全可靠地工作，蓝牙技术特别设计了快速确 认和跳频方案来消除干扰，确保链路的稳定。调频技术是把频带分成若干个跳频信道，在 一次连接中，无线电收发器按一定的码序列( 即一定规律的伪随机码) 不断地从一个信号 “跳”到另一信道，只有收发双方是按这个规律进行通信，而其他干扰源不可能按同样的规 律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术可以使这个窄频带成倍的扩展成 宽频带，使可能干扰的影响变得很小。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快， 数据包更短，从而使蓝牙系统比其他系统更稳定。 ( 2 ) 低成本、低功耗和低辐射 轻、薄、小是蓝牙技术的基本目标之一。结合蓝牙技术与芯片制造技术把蓝牙系统组 合在单芯片内，与许多电子元件组成蓝牙模块后，以u s b 或r s 2 3 2 接1 2 与现有的设备互 相连接，或是内嵌在各种信息设备内，达到低成本、低功耗和低辐射的目标。 蓝牙技术传送有3 种功率级别，分别为：1 0 0 m w ，2 5 m w 和l m w 。1 0 0 m w 的辐射 范围为1 0 0 m ；2 5 m w 的是1 0 m ；l m w 的则是1 0 c m 。但实验证明，当蓝牙设备的功率为 l m w ( 0 d b m ) 时，其辐射范围一般可达到1 0 m 。为了保证在很低的功率状态下也能保证蓝 牙设备处于连接状态，蓝牙规范规定了3 种节能状态，即等待( p a r k ) 状态、保持( h o l d ) 状态 和呼吸( s n i f f ) 状态。这些状态既能处于低功耗状态，也能处于连接状态。 - 3 传输信息量减 少或无数据传输时，蓝牙设备将减少处于激活状态的时间；而进入低功率工作模式，这种 工作模式比正常工作模式节省约7 0 的发射功率。 ( 3 ) 能传输数据与语音 蓝牙系统以时分双工方式进行全双工通信，支持电路交换和分组交换的两种交换技 术，能够同时支持语音与数据信息的传输。并且定义了两种链路类型：面向连接的同步链 路( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 。s c o 链路支持对称、电路交换和点对点连接， 适用于传输语音；a c l 链路支持对称或非对称、分组交换和多点连接，适用于传输数据。 a c l 和s c o 链路可以同时工作，即语音与数据可以同时被传输。 ( 4 ) 高安全性 为了提高蓝牙传输的安全性，蓝牙系统一方面特别设计了快速确认和跳频的方案，另 一方面蓝牙协议提供了认证与加密。蓝牙系统跳频为每秒1 6 0 0 次，系统有7 9 个可能的信 1 0 浙江大学硕士学位论文无线蓝牙技术 道。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适于硬件实现，密钥 由高层软件管理。 ( 5 ) 多用途性 蓝牙技术可以应用在多种电子设备上，如移动电话、无绳电话、笔记本计算机、掌上 电脑、传真机、数字相机、调制解调器、打印机、摄影机、局域网、免提式耳机、游戏操 纵杆等；此外，报警装置、遥控冰箱、电灯、微波炉、洗衣机等各种家用电器同样能安装 蓝牙模块而实现组网通信。 蓝牙规范公布的主要技术指标与系统参数如表2 1 所列。 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 指标类型系统参数 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b s 异步信道速率非对称连接为7 21k b s 、5 7 5 k b s ，对称连接4 3 2 6 k b s ，2 0 + e d r 规范支持更 高速率 同步信号速率6 4 k b s 。2 0 + e d r 规范支持更高速率 功率 美国f c c 要求功率 l | 物理总线 多 l 物理总线接d ( u s b 、p c 卡、 r s - 2 3 2 、u a r t 等) 固件 蓝牙主机摔制器之 h c i 固件 0 链路管理器固件 00 基带控制器 图2 7 底层软件层结构 如图2 7 所示，当主机和主机控制器通信时，h c i 层以上的协议在主机上运行，h c i 层以下的协议由蓝牙主机控制器的硬件实现，它们都通过h c i 传输层进行通信。主机和主 机控制器中的h c i 具有相同的接口标准。蓝牙设备通过h c i 进行数据收发通信的过程如 图2 8 所示。主机与蓝牙模块之间的通信主要是通过直接访问内存和寄存器实现的【4 0 1 。 蓝牙卡机 蓝牙主机 用户数据 j 、同户应用程序、l 、 、 、1 、用户鹿_ f l 程謦 套_ 套：0 蓝牙主机控制器蓝牙f 机拧制器 其他高壕驱动程序 7，7 毖带控断器7 ：7 j ：7 嚣他赢麒驱动程序 基带拧制嚣 0 0 0 0 0 0 l 链路嚣理嚣固件li 链瑞符呼塞嗣仃：l 、h a 募前程日o ； p l l 0 ，； j ： p 、h a 驱动程序、 h c i 崩件l t c l 圄l 串 0 0 物坪总线驱动程守k = = 参l ， 。；锣期。线砑哆：! 。 ：物理总线硐什； d 物理总线骈动程序 9 一脚粤总线磐熊一一l 口软件囡固件囫硬件豇，磐零罄线硬馋7 | 图2 8 蓝牙软件协议栈的数据传输过程 2 4 2 主机控制器接口指令 h c i 提供访问蓝牙硬件的统一指令方式。h c i 链路指令使主机能控制到其他蓝牙设备 的链路。这些指令通过链路控制器( l m ) 与远程蓝牙设备交换l m p 指令。h c i 传输层提供 h c i 信息的透明传输。该传输机制为主机提供想主机控制器发送h c i 指令、h c i 数据和 s c o 数据以及从主机控制器接收h c i 事件、a c l 数据和s c o 数据的能力。为此，h c i 1 7 浙江人学硕上学位论文 无线蓝牙技术 规范对主机和主机控制器之间交换的指令、事件、数据的格式进行了定义【4 1 4 2 1 。h c i 的分 组格式如下： l 、h c i 指令分组 h c i 指令分组用于从主机向主机控制器发送指令。h c i 指令分组的格式如图2 9 所示。 当主机控制器完成大多数指令的发送时，就向主机发送指令完成事件。然后，当与该指令 相关联的动作执行后，对应于该发出指令的事件也酱油主控制器发往主机。开启电源或重 新启动时，主机在收到指令完成或指令状态事件之前会一直发送一个最大长度的h c i 指令 数据分组。 0 4 8 1 21 6 2 0 2 4 2 8 3 l 操作码( o p c o d e ) 操作码命令字段操作码组字段数据长度参数0 f 0 c nf o g f 参数i参数2 参数n 1参数n 图2 9h c l 指令分组 如果一条指令出错并没有返回指令完成事件，那么与此指令关联事