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(jī)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(jī)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(bǔ)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。