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(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、水流方式等指標外，最終目標應(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。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(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，另一方面需要對所獲取的數(shù)據(jù)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(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1 Mbps。