基于物联网网关组网的扭矩扳手动态智能检定系统及方法与流程

本发明涉及一种基于物联网网关组网的扭矩扳手动态智能检定系统及方法。

背景技术：

扭矩扳手又叫扭力扳手、力矩扳手、扭矩可调扳手，是扳手的一种。按动力源可分为：电动力矩扳手、气动力矩扳手、液压力矩扳手及手动力矩扳手；该装置可监控拧紧螺纹紧固件过程中的扭矩值，去除人为感知力值的不稳定因素，以保证产品质量的稳定性。但长期使用，会使扳手的误差增大，此时就需要对其进行校验和调整；同时，扭矩扳手在出厂之前，也需要经过检测和标定，才能确保自身的准确性。

现有技术中用于检定扭矩扳手的装置类型比较单一，多为静态扭矩检定，结果输出单一，不能实时监控扭矩扳手的输出力值，同时等螺丝固定后再静态检定可能会对已拧紧的螺丝造成不可预知的影响；其次，现有动态扭矩检定多使用PLC等控制器，处理速度慢，采样频率低，用户交互性差。再者，现有设备体积较大，笨重，可移动性差。

同时，现有的检定都是一对一检定，并不能实现分布式的多方同时检定，以及多方多终端的检定结构的信息传输。

综上所述，现有技术中的检定扭矩扳手的装置存在输出结果单一、处理速度慢、采样频率低、用户交互性差、无法同时进行多个地点或者终端处的检定的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于物联网网关组网的扭矩扳手动态智能检定系统及方法，本发明采用分布式的组网架构，能够实现分布式的多方同时检定，同时能够进行准确的信息采集与传输，同时，利用中央处理器将扭矩扳手的输出力矩实时显示，并绘制实时曲线，可以动态的观看力矩变化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于物联网网关组网的扭矩扳手动态智能检定系统，包括检定终端、通信网络和上位机，每个检定终端通过通信网络同时连接上位机，并且通过通信网络进行信息交互；

所述通信网络为星型拓扑结构，包括多个互联的物联网网关，每个物联网网关连接若干个检定终端，且每个检定终端均至少包括力矩采集单元、信号处理单元和处理器，其中：

所述力矩采集单元采集扳手的力矩信号，将力矩信号转换成模拟电压信号，并将模拟电压信号传输至信号处理单元，所述信号处理单元将模拟电压信号放大后转换为数字电压信号，并传输给处理器，所述处理器根据数字电压信号与当时传感器施加的标准力矩对传感器进行标定，得到该传感器的灵敏度，结合标识信息进行存储，再根据由标准力矩确定下来的传感器灵敏度，结合采集到的实时数字电压信号，通过插值算法得到实时力矩；

所述上位机提取每个检定终端的力矩数据与检定结果，进行相应标记动作和集中管理、统筹运作，实时显示以及存储力矩数据与检定结果，通过中央处理机制，通过通信网络同时检测各检定终端的运行状况。

所说信号处理单元包含信号放大电路和ADC采样芯片，信号放大电路将模拟电压信号放大后传输给ADC采样芯片，所述ADC采样芯片将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号传输给处理器电路。

所述标准扭矩扳手施加一定的力矩到力矩采集单元，然后记录施加该力时，获取的电压值与该力的比值，即为灵敏度。

所述处理器包括FPGA，FPGA通过SPI接口对ADC采样芯片进行配置，控制ADC芯片的采样速度及存储位置。

所述处理器还包括ARM处理器，FPGA通过SPI接口接收ADC芯片输出的数字电压信号，并保存在内存中，ARM处理器根据内存中的电压数据经过滤波算法，把滤波后的电压数据保存在内存中，作为原始数据。

ARM处理器先从内存中获取数字电压信号的数值，然后转换成实际的电压值；然后，使用牛顿插值的多项式，计算出实时力矩，存储到内存中，作为原始数据。同时采用像素对应来过滤实时数据，过滤后的点成为坐标点，放在向量中，用于绘制实时曲线，显示在LCD液晶屏上。

进一步的，所述FPGA根据SPI接口中的CS片选信号控制一个ADC芯片的工作与否，其中CS片选信号为低电平时ADC芯片工作，反之不工作。

所述ARM处理器内置Linux操作系统，读取内存中的原始电压数据，并获取数据库中的标定信息，通过牛顿差值算法，计算出实时力矩，并将结果以及实时曲线输出到LCD液晶屏控制电路。标定会得到牛顿插值算法所需的插值节点，然后推导出牛顿插值的多项式(f(x))，然后采集到的电压信号经过f(x)转换成力矩(即F＝f(x))。

牛顿差值算法的基本原理为利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值，利用牛顿差值算法能够更好适应插值节点增减。当然，本领域技术人员可以在本发明的工作原理的基础上，将牛顿差值算法根据不同应用场合的不同，替换为其他差值算法，如拉格朗日插值算法。

所述ARM处理器与LCD液晶屏控制电路、触摸屏控制电路、USB电路、SD卡电路、以太网口电路、串口电路及实时时钟电路相连。

进一步的，所述LCD液晶屏控制器电路，可驱动24位LCD液晶屏，可外接LCD液晶屏将采集的数据、信息实时显示在屏幕上；同时可以控制LCD液晶屏的背光灯亮度；

进一步的，所述触摸屏控制电路有两路，一路支持四线电阻屏接入，另一路支持六线电容屏接入，与用户交互更直接和便捷；

进一步的，所述USB接口电路为USB_HOST电路，包括接口，所述接口的VBUS端分两路，一路接供电电源，另一路通过电容接地，所述接口的正极端及负极端分别分为三路，一路通过电阻接地，另一路通过保护芯片接地，第三路路接至处理器。

进一步的，所述以太网口电路包括RJ45电路及千兆以太网电路，所述千兆以太网电路包括以太网控制芯片，以太网控制芯片与核心控制器相连，以太网控制芯片的RD正极端及负极端、TD正极端及负极端分别连接至网络变压器，网络变压器接至相应的接口。

进一步的，所述串口电路即为一路RS232电路，包括串口芯片，所述串口芯片与处理器相应的端口相连，所述串口芯片的T1OUT端、R1IN端、T2OUT端、R2IN端分别通过相串联的电阻及二极管接地。

进一步的，所述实时时钟电路包括实时时钟芯片，实时时钟芯片的VDD端分三路，一路通过二极管接至供电电源端，一路通过相串联的二极管、电阻及电池接地，第三路通过相并联的电容及极性电容接地；所述实时时钟芯片SDA端及SCL端分别通过各自对应的电阻接至供电电源端且实时时钟芯片SDA端及SCL端分别与处理器相连。

进一步的,每个子系统均有多个力矩采集单元，可外接多个传感器，所有子系统可以同步采集、同步处理。同样的，单个子系统可能包含多个采集通道。

所述处理器可以累积比较设定时间内的力矩值，输出峰值，同时输出实时曲线，并记录每次采样的力矩峰值，同时，本发明可以在得到力矩信息后进行如下的功能延伸：

(1)频谱分析功能，选取一段采集到的数据，进行频谱分析，输出频谱分析图；

(2)SPC生产过程统计功能：对生产过程进行统计，对产生的异常波动及时提醒。

基于上述系统的检定方法，包括以下步骤：

(1)在各个检定终端使用标准扭矩扳手输出确定力到力矩采集单元，记录相应确定力所对应的电压数据，计算传感器的灵敏度，同时记录到数据库中，与确定的传感器一一对应，加上其灵敏度以及标识信息成为一个传感器通道；

(2)选择根据要检定的扳手力矩选择对应的标定数据，设置各个检定终端的触发阈值、峰值保持、峰值持续时间以及采样次数；

(3)利用力矩采集单元对采样点进行采样，对采样数据进行转换、滤波，利用牛顿差值算法计算出对应力矩，形成实时力矩曲线；

(4)各个检定终端将相应的峰值曲线、采样记录与检定结果通过通信网络传输给上位机。

由于电气动扳手有自身的力矩输出规格，比如一只输出力矩为100N.m的电动扳手；然后，认定其合格的标准就是其能正常输出大于100N.m的力矩。这种检定方法应该是一致认可的，而实现这样的检定标准的手段不同，可以通过微型计算机来实现检定。

静态检定是对已处于拧紧状态的螺纹紧固件继续拧紧且螺纹旋合面之间刚刚发生转动时摩擦扭矩的采集与检定。

动态检定是在拧紧螺栓的同时使用传感器测量峰值力矩；

动态检定相较于静态检定更能实时检测拧紧的过程，还原真是的拧紧数据；而静态检定在第二次拧紧时就破环了之前的拧紧状态，在一些需要确定扭矩的情况下并不适合。统计表明，在硬链接结构中，静态扭矩一般高于动态扭矩。

在电气动扳手行业，扳手扭矩输出一般变动剧烈，为冲击类型，更需要实时捕捉扭矩或扭矩峰值，因此动态检定的方法更好一些。

本发明的有益效果为：

(1)本发明为动态检定过程，避免了现有技术中静态扭矩检定不能实时监控扭矩扳手的输出力值，同时等螺丝固定后再静态检定可能会对已拧紧的螺丝造成不可预知的影响的问题；

(2)本发明采用FPGA+ARM的处理器，集合了FPGA的数据并行处理能力以及ARM的通用性，即可以高速的采集力矩信号，也能快速的处理信号，提高采样频率，增强了用户交互性；

(3)本发明的采样频率可到500K/秒，有效位数有18位，精度极高；能识别力值中极细微的变化，不易受到环境变化的影响。

(4)本发明还配备全中文显示的LCD液晶屏，能实时显示监测数据，并配备电容触摸屏，可操作性更强。本发明还支持网络数据传输，USB数据传输，SD卡读写等功能，无需连接计算机，就可实现数据的上传与分享；同时可以将数据存储到SD卡中，有效的解决了不能存储大量数据的问题；

(5)本发明的检定终端为分布式架构，且能够实现分布式的多方同时检定，同时通过星形架构能够进行准确的信息采集与传输；

(6)本发明通过上位机的设置，可以实现数据的上传和分享，可以将数据存储到SD卡中，有效的解决了不能存储大量数据的问题。同时可以把每天的检定记录由数据库导出到U盘，方便管理数据，同时也可以作为员工的工作量考核。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的显示屏电路示意图；

图2为本发明的电源外围电路图示意图；

图3为本发明USBHost接口电路图的示意图；

图4为本发明的SD卡电路图；

图5为本发明的系统示意图；

图6为本发明的流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图5所示，一种基于物联网网关组网的扭矩扳手动态智能检定系统，包括多个分布式布设的检定终端，每个检定终端通过物联网网关彼此连接，同时连接上位机，物联网网关连接有多个检定终端，所述通信网络为星型拓扑结构，使检定终端构成星型拓扑结构，每个检定终端均至少包括力矩采集单元、信号处理单元和处理器，每个检定终端通过通信网络同时连接上位机，并且通过通信网络进行信息交互，检定终端分布与各个检定实验地区。其中：

力矩采集单元，用于实施采集扳手的力矩信号，将力矩信号转换成模拟电压信号，并将模拟电压信号传输至信号处理单元；

信号处理单元包含信号放大电路和ADC采样芯片，信号放大电路将模拟电压信号放大后传输给ADC采样芯片；

ADC采样芯片将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号传输给处理器电路；

处理器电路对收到的数字电压信号保存至内存中。处理器电路根据内存中的电压数据经过滤波算法后进行传感器标定和扳手动态检定；

传感器标定是由标准扭矩扳手施加一定的力矩到力矩采集单元，然后记录施加该力时，获取的电压值与该力的比值，即为灵敏度，并记录到数据库中；

扳手动态检定是根据标定得来的灵敏度以及实时采集到的电压数据，通过牛顿差值算法得到实时力矩；然后，累积比较一定时间内的力矩值，输出峰值，同时输出实时曲线，并把每次采样的力矩峰值记录到数据库中。

进一步的，在力矩采集单元中，实时采集力矩信号，转换为模拟电压信号，并传输至信号处理单元。

进一步的，信号处理单元中，对模拟电压信号进行放大，并通过ADC芯片转换成数字电压信号，数字电压信号进一步传输到处理器电路；

进一步的，所述处理器电路包括FPGA及ARM处理器，FPGA通过SPI接口对ADC采样芯片进行配置，控制ADC芯片的采样速度及存储位置；

进一步的，FPGA通过SPI接口接收ADC芯片输出的数字电压信号，并保存在内存中，ARM处理器根据内存中的电压数据经过滤波算法，把滤波后的电压数据保存在内存中，作为原始数据；

进一步的，ARM处理器内置Linux操作系统，会读取内存中的原始电压数据，并获取数据库中的标定信息，通过牛顿差值算法，计算出实时力矩，并将结果以及实时曲线输出到LCD液晶屏控制电路。

进一步的，处理器FPGA根据SPI接口中的CS片选信号控制一个ADC芯片的工作与否，其中CS片选信号为低电平时ADC芯片工作，反之不工作。

进一步的，所述处理器电路还与LCD液晶屏控制电路、触摸屏控制电路、USB电路、SD卡电路如图4所示，、以太网口电路、串口电路及实时时钟电路相连；

进一步的，所述LCD液晶屏控制器电路，可驱动24位LCD液晶屏，可外接LCD液晶屏将采集的数据、信息实时显示在屏幕上；同时可以控制LCD液晶屏的背光灯亮度；

进一步的，所述触摸屏控制电路有两路，一路支持四线电阻屏接入，另一路支持六线电容屏接入，与用户交互跟直接和便捷；

进一步的，如图3所示，所述USB接口电路为USB_HOST电路，包括接口，所述接口的VBUS端分两路，一路接供电电源，另一路通过电容接地，所述接口的正极端及负极端分别分为三路，一路通过电阻接地，另一路通过保护芯片接地，第三路路接至处理器。

进一步的，所述以太网口电路包括RJ45电路及千兆以太网电路，所述千兆以太网电路包括以太网控制芯片，以太网控制芯片与核心控制器相连，以太网控制芯片的RD正极端及负极端、TD正极端及负极端分别连接至网络变压器，网络变压器接至相应的接口。

进一步的，所述串口电路即为一路RS232电路，包括串口芯片，所述串口芯片与处理器相应的端口相连，所述串口芯片的T1OUT端、R1IN端、T2OUT端、R2IN端分别通过相串联的电阻及二极管接地。用于调试。

进一步的，所述实时时钟电路包括实时时钟芯片，实时时钟芯片的VDD端分三路，一路通过二极管接至供电电源端，一路通过相串联的二极管、电阻及电池接地，第三路通过相并联的电容及极性电容接地；所述实时时钟芯片SDA端及SCL端分别通过各自对应的电阻接至供电电源端且实时时钟芯片SDA端及SCL端分别与处理器相连。

扳手输出的力矩通过扭矩传感器转换为相应的模拟电压信号，模拟电压信号经过放大后，通过ADC芯片转换为数字信号，这些数字信号(即电信号)通过SPI接口传输给FPGA。特别地，本发明设计高速ADC芯片的SPI接口中的CS片选信号控制一个ADC芯片的工作与否，其中CS片选信号为高电平时ADC芯片工作，反之不工作。

FPGA对收到的数字信号进行初步处理，并将其按照一定的逻辑存储到内存颗粒DDR3中并提供给ARM处理器每个数据的地址，ARM处理器会根据这些地址提取内存中的数据对其进行处理，本发明采用滤波算法对内存中的力矩数据进行滤波，然后使用牛顿插值算法识别和处理内存中的力矩数据，识别和计算得出的结果，将通过C3输出。同时，通过C4接收用户操作。

C3为LCD液晶屏控制电路，本发明使用linux LCD驱动程序驱动LCD屏，通过RGB888接口可将计算结果实时显示在LCD液晶屏上。

处理器包括壳体、主板、显示模块、触摸模块，主板包括处理器、内存、存储器和相应的外围电路，主板连接显示模块和触摸模块。

主板包括：集成FPGA+ARM处理器的系统级处理器芯片、DDR3内存颗粒、由NAND FLASH芯片和可选的可扩展存储器TF卡组成的存储器、ADC芯片、USB接口、网络接口和主板上相应的外围电路。

主板上相应的外围电路，包括ADC采样电路C1，处理器芯片(FPGA+ARM处理器)外围电路C2、LCD显示电路C3、触摸屏电路C4，USB接口电路C5、SD卡电路C6、以太网口电路C7、串口电路C8及实时时钟电路C9。其中，C3用于实时显示测试数据，C4用于接收用户操作，C3、C4共同完成与用户的交互。C5可接U盘，C6可插SD卡，C7用于连接互联网，C8用于调试，C9用于掉电时间保持。

处理器芯片上搭载linux 3.17.0操作系统，其外围电路C2与上述C1、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9相连，通过相应的驱动对上述相应设备进行控制。其中ADC驱动为自主开发，通过linux驱动程序通过对FPGA的SPI接口进行配置，进而FPGA的SPI接口会相应控制ADC芯片。其他接口皆是linux标准设备。

显示模块为一个7寸LCD液晶屏，24bit图像数据；触摸模块为一个7寸电容触摸屏，集成在显示板上。显示板独立，与主板使用fpc-50pin排线连接。采用全中文显示界面，实时显示采样得到的力矩值，并显示实时曲线，以及设置时间内的峰值。同时还可以配合触摸屏对曲线进行缩放和移动，也可以获取曲线上的点的值，并记录到数据库中。

其一种实施方式的显示屏电路如图1所示。

具体的检定过程，包括：

步骤一：标定传感器：

1.1使用标准扭矩扳手输出确定力到力矩采集单元；

1.2记录相应确定力所对应的电压数据；

1.3电压比力矩即为该传感器的灵敏度，记录不同采样点的灵敏度到数据库；

步骤二：相关参数设置：

2.1选择根据要检定的扳手力矩选择对应的传感器标定的数据；

2.2设置触发阈值、峰值保持、峰值持续时间、采样次数等参数

步骤三：动态检定：

3.1利用力矩采集单元对采样点进行采样；

3.2采样点力矩信号转换成数字信号，传递到内存；

3.3ARM处理器从相应内存中读取数字信号，经过滤波算法后，使用牛顿差值算法计算出对应力矩，然后通过LCD输出实时值、一定时间的峰值以及采样曲线，并保存每次采样的峰值形成采样记录。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。