基于CAN總線的淋浴噴頭噴射流動場測試系統

摘要：研制淋浴噴頭噴射流動場測試系統有助于對淋浴噴頭綜合性能進行評價，進而提高產品質量、開發新產品。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上，構建了基于CAN總線的測試系統，并采用優先級晉升算法進行總線調度。給出了CAN節點通信部分的硬件電路和程序設計方法，并在硬件上加入了多種抗干擾措施。實驗結果證明，系統通信質量良好。該測試系統具有組態靈活、實時性好、可靠性高等特點。
關鍵詞：CAN總線；淋浴噴頭；噴射流動場；測試系統；優先級晉升算法

0 引言
在現代社會中，淋浴噴頭已成為人們生活中的必需品。對其性能的評價，除結構、耐用、水流方式等指標外，最終目標應是在節水、節能的前提下，人所感受的舒適與清潔效果。水流經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，國內外幾乎是空白。但在工業和農用植保噴頭的性能測試領域，國內外都進行了一定的研究。例如美國噴霧系統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，由特殊結構的測壓元件采集的信號經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針對發動機噴嘴，通過激光誘導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，用圖像處理技術實現對噴霧角的測量。不過由于淋浴噴頭與工業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，需要研究開發一套專用的淋浴噴頭噴射流動場測試系統。

1 測試系統構建
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，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，在構建測試平臺時，將打擊力場和溫度場的檢測設置在一個智能模塊下。
結構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溫度、打擊力、流速等多個參數。獲取噴射場形態圖像能夠將采樣點的參數與三維圖對應起來，有助于建立更加清晰直觀的噴射流動場特征數據庫。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。因此，在測試系統中，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，流量越小的越節水。但是，如果水壓太低或者不穩定，水流達不到一定的噴射效果，就談不上節水了。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、水溫和環境溫濕度等一些過程參數。
1．2 噴射流動場測試系統
淋浴噴頭噴射流動場測試系統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據進行處理和融合，以對噴射流動場綜合性能進行研究。也就是說測試系統既要構建基于某些方面性能的獨立測試子系統，又要能夠方便地將各個子系統聯系起來。那么，系統構架及實時通信就成為測試系統要解決的主要內容。
為此，構建了一套基于CAN總線的淋浴噴頭噴射流動場測試系統，其總體結構如圖1所示。CAN總線屬于現場總線的范疇，是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。CAN總線的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而對通信數據塊進行編碼，從而使網絡中節點配置更加靈活。同時在總線上傳輸的節點信息可被定義為不同的優先級，滿足不同的實時要求，通信速度最高可達1 Mbps。