0 引言

    球磨機通過旋轉(zhuǎn)帶動筒體內(nèi)部的研磨介質(zhì)粉碎物料。研磨介質(zhì)和物料在筒體旋轉(zhuǎn)過程中會不斷地撞擊筒壁內(nèi)側(cè)，相應(yīng)地在筒體表面產(chǎn)生振動響應(yīng)。文獻(xiàn)[1]中表明球磨機筒體表面振動信號與筒體內(nèi)部物料粉碎程度存在一定數(shù)學(xué)關(guān)系，因此就球磨機筒體表面的振動信號分析來間接推斷和預(yù)測出球磨機內(nèi)部的負(fù)荷狀態(tài)，所以在設(shè)計球磨機負(fù)荷前端振動信號采集裝置中，要保證采集筒體表面的振動信號數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確、實時和連續(xù)的。

    根據(jù)文獻(xiàn)[2]，磨機負(fù)荷前端振動信號采集裝置在工作時會通過nRF24L01+無線設(shè)備源源不斷地向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到nRF24L01+的最高速度2 Mbit/s。在如此高速的情況下，則需要確保接收端準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。nRF24L01+最大可設(shè)定在一次傳輸任務(wù)中傳遞一個包含32 B的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，在傳遞下一個數(shù)據(jù)包時中間需要間隔至少10 ns的冷啟動時間，這些數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)常常在經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器件時發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和粘連。在程序的接收中斷函數(shù)中如果直接以32 B為判定依據(jù)判定出接滿一個數(shù)據(jù)包，則會出現(xiàn)第一個數(shù)據(jù)包的后幾位和第二個數(shù)據(jù)包的前幾位組成一個32 B的數(shù)據(jù)包的情況，使數(shù)據(jù)位發(fā)生錯亂，致使信息丟失。

    數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)速度均衡在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，例如Linux文件系統(tǒng)內(nèi)核代碼中含有inode緩沖區(qū)、dentry緩沖區(qū)、塊緩沖機制，這些對于數(shù)據(jù)IO性能有重要的作用；在速度均衡方面，Socket系統(tǒng)需要處理遠(yuǎn)程主機發(fā)送過來的大量數(shù)據(jù)，每一個Socket都會配套一個緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用于解決應(yīng)用程序?qū)懭霐?shù)據(jù)時的阻塞現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]提出的緩沖區(qū)建立方法是單環(huán)結(jié)構(gòu)可選擇阻塞和非阻塞的緩沖模型，易于負(fù)荷均衡，在解決球磨機振動信號連續(xù)大劑量數(shù)據(jù)時有顯著的速度均衡作用，可消滅相鄰數(shù)據(jù)包間的延時間隔，但無法解決數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)黏連問題。文獻(xiàn)[5]提出的方法具備一般性，可應(yīng)用于連續(xù)性數(shù)據(jù)的讀取，但在本文的硬件條件限制下，存在數(shù)據(jù)傳輸格式錯位問題，無法套用該模型。

    綜上，此軟件算法在整體的實時數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)上要求數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷持續(xù)供應(yīng)的，且不能出現(xiàn)數(shù)據(jù)位錯亂。因此本文提出一個在軟件上建立的模型來解決nRF24L01+無線設(shè)備硬件規(guī)則與本設(shè)計要求的矛盾，以及協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置出現(xiàn)的數(shù)據(jù)位錯亂和數(shù)據(jù)不連續(xù)問題。

1 模型結(jié)構(gòu)

    為了清晰表達(dá)螺旋緩沖模型的機構(gòu)設(shè)定和功能，使用圖1所示螺旋緩沖模型的思維導(dǎo)圖來解釋模型的結(jié)構(gòu)和功能。模型設(shè)定有兩大機制，即時間機制和空間機制。

    時間機制有兩個功能，糾正由于硬件設(shè)備自帶的緩沖功能造成的數(shù)據(jù)包內(nèi)的字節(jié)錯亂問題。問題經(jīng)常出現(xiàn)在許多協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片上，例如由沁恒公司生產(chǎn)的CH340串口轉(zhuǎn)USB協(xié)議的芯片中，常常由于芯片內(nèi)部的緩沖區(qū)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包錯亂。不幸的是，本文使用的無線設(shè)備同樣具備該問題，這個現(xiàn)象將在下一節(jié)中詳細(xì)演示。時間機制另一個工作就是給定數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ü?jié)律，保證數(shù)據(jù)包的完整性，使數(shù)據(jù)包不會再次錯亂。

    空間機制為文獻(xiàn)[3]～[5]中環(huán)形緩沖區(qū)的功能，有一定的空間存儲數(shù)據(jù)、負(fù)載均衡作用。圖2所示為負(fù)載均衡器簡要功能示意圖，D₁、D₂、D₃、D₄數(shù)據(jù)包之間的間隔差異明顯，負(fù)載均衡器會消除這種差異，同時結(jié)合控速機制這些數(shù)據(jù)會均勻輸出。另外，在空間機制中還存在隱性的功能，將設(shè)定管道為“透明的”，有指針可以隨時提取管道內(nèi)的數(shù)據(jù)，這將有助于一些做命令識別的通信數(shù)據(jù)。

2 時間機制

2.1 功能概述

    時間機制是數(shù)據(jù)包接收的時間測量工具，數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)包之間接收的間隔為10 μs，以此來判定分時使能數(shù)據(jù)接收功能。在設(shè)定相應(yīng)的計時時間后，超過計時數(shù)時則使能接收功能，接收一組數(shù)據(jù)包完畢后清除超時標(biāo)記位，數(shù)據(jù)指針歸0，數(shù)據(jù)推入到緩沖區(qū)后被清除，等到下一次超時計時使能開啟再接收下一個數(shù)據(jù)包。在超時標(biāo)志位被清除之后，此時無法接收任何數(shù)據(jù)。該機制能有效地解決由于包和包之間時間間隔問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)位錯亂問題。要實現(xiàn)超時機制，務(wù)必要求處理器具備以下功能：

    (1)具備定時器并且定時器具有中斷功能；

    (2)具備可讀電平狀態(tài)的IO口或外部中斷。

2.2 原理介紹

    時間機制本質(zhì)上是對有時間間隔的數(shù)據(jù)包進(jìn)行同步讀取，保證數(shù)據(jù)是一個包一個包接收的，而不是一個包的后半部分和下一個包的前半部分組成32 B的數(shù)據(jù)包，圖3所示為數(shù)據(jù)包被拆開的一種可能性，錯位后組成的數(shù)據(jù)包包含了1 μs的時間延時分量，不但影響速度，還會因為數(shù)據(jù)斷載導(dǎo)致包丟失。

    時間機制限定了以上在時間上自由讀取，與無線發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)配合，設(shè)定布爾標(biāo)志位，判定可讀和不可讀兩種狀態(tài)。圖4所示為超時機制和發(fā)送函數(shù)配合的同步原理，超時機制進(jìn)行計時，如果超時則將布爾變量設(shè)定為“真”，并停止計時，此時，整個發(fā)送系統(tǒng)進(jìn)入到可讀狀態(tài)，32 B數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，發(fā)送函數(shù)會將布爾標(biāo)志位置為“假”，此時，整個發(fā)送系統(tǒng)進(jìn)入到不可讀狀態(tài)，計時系統(tǒng)開始計時等待下一個周期的數(shù)據(jù)包，重復(fù)上述操作。

    引入時間機制，若發(fā)生數(shù)據(jù)錯位，如圖5所示，在第二個包發(fā)送完畢后由發(fā)送函數(shù)拉低標(biāo)志位開始計時，恢復(fù)同步時序。

3 空間機制

3.1 功能概述

    任何系統(tǒng)中都有自己的一套數(shù)據(jù)管理方法，數(shù)據(jù)管理影響著整個系統(tǒng)的性能。在第1節(jié)中介紹了時間機制，解決了數(shù)據(jù)包黏連和錯位的問題，但在接收過程中數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包之間存在1 μs的延遲，在對球磨機負(fù)荷振動信號的采集過程中，不允許以32 B為分割，要求數(shù)據(jù)是無間斷連續(xù)的。在螺旋緩沖中的數(shù)據(jù)還可以不斷對緩沖區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，所以就可以應(yīng)用于一般通信模型的響應(yīng)命令模式。

3.2 螺旋緩沖區(qū)模型

    螺旋緩沖區(qū)的構(gòu)想源于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中先進(jìn)先出的線性隊列。通常在C語言中定義一個線形隊列使用一維數(shù)組的方式，數(shù)組索引即是隊列中的序號。螺旋緩沖區(qū)也為一個先進(jìn)先出的隊列，但在定義方式上采取二維數(shù)組的方式，例如data[x][y]，索引代表在y層螺旋上的第x個元素，如圖6所示。螺旋緩沖區(qū)具有以下特性：

    (1)可以有N層；

    (2)每一層環(huán)形數(shù)據(jù)滿了之后可以進(jìn)位到下一層，也可以在自己的一層形成首位相接的回環(huán)；

    (3)定義4個指針，分別為寫指針、讀指針、層指針和位置指針，可以實現(xiàn)任意位置的數(shù)據(jù)讀寫；

    (4)出口釋放速度可定義，實現(xiàn)非勻速數(shù)據(jù)進(jìn)入，數(shù)據(jù)勻速輸出。

3.3 速度討論

    在磨機振動信號采集過程中，nRF24L01+會以32 B為一個數(shù)據(jù)包向螺旋緩沖區(qū)內(nèi)推入，每個字節(jié)數(shù)據(jù)的時序圖如圖7所示。

    在該設(shè)備中，每當(dāng)CLK信號的上升沿到來，無線設(shè)備寫1 bit數(shù)據(jù)，寫滿8 bit的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個字節(jié)。上升沿來臨需要40 ns的時間，傳遞一個字節(jié)則需要640 ns的時間，字節(jié)和字節(jié)之間還需要10 μs的延遲。為了使輸出速度平均，需要在螺旋緩沖區(qū)的出口處設(shè)立控速機制，實現(xiàn)勻速輸出。

3.4 作為環(huán)形緩沖

    圖8所示為環(huán)形緩沖區(qū)模型圖，環(huán)形緩沖區(qū)域為螺旋緩沖區(qū)其中的某一層次的俯視圖。

    “N”處為環(huán)形緩沖區(qū)中最后一個元素，這個元素可以和“1”處封閉起來作為環(huán)形緩沖區(qū)，也可以斷開后與上一層環(huán)和下一層環(huán)連接上。在球磨機振動信號采集中，需要大型的緩沖區(qū)域，則需要每一層的圓環(huán)首尾相接。當(dāng)磨機振動信號裝置處于命令模式時，需要對圓環(huán)進(jìn)行銜接，形成閉合的圓環(huán)，啟用讀寫指針，完成對命令的實時響應(yīng)。

    文獻(xiàn)[2]中給出單個高性能環(huán)形緩沖區(qū)模型，在模型中有一個不可忽視的弊端，即沒有應(yīng)急命令區(qū)域。在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)急操作尤為重要，而單個圓環(huán)需要對圓環(huán)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完畢后，才能響應(yīng)應(yīng)急命令。而在本文中給出的螺旋緩沖，可以啟用兩層圓環(huán)，其中一個作為應(yīng)急命令處理，一旦有數(shù)據(jù)優(yōu)先對其進(jìn)行處理。

4 算法實現(xiàn)

    基于文獻(xiàn)[1]，利用已采集好的離散磨機振動信號作為數(shù)據(jù)樣本，對該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型實行可控速數(shù)據(jù)IO壓棧處理。利用TMS320VC5509A型號的DSP驅(qū)動nRF24L01+無線設(shè)備作為發(fā)送機，利用TMS320C6748型號的DSP驅(qū)動nRF24L01+無線設(shè)備作為接收機，接收的數(shù)據(jù)存儲在計算機上，進(jìn)行一次性接收。

    由于數(shù)據(jù)十分龐大，故本文截取了8 000點的離散數(shù)據(jù)，為了讓數(shù)據(jù)分散度更清晰，在繪制圖像時對該數(shù)據(jù)進(jìn)行倍乘處理，圖9所示為采樣的時域離散圖，從圖中可以看到，每一數(shù)據(jù)點以“*”和外圍“○”表示，“*”表示接收的數(shù)據(jù)，“○”表示發(fā)送的數(shù)據(jù)。本文將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在一張圖上，可以看清楚明顯的差異。

    為了更清晰地表現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本，本文將坐標(biāo)范圍縮小至0～200，如圖10所示，研究開始的錯誤狀態(tài)。可以觀察到在一開始獨立的“○”和“*”分開了。

    從圖10中可以看到，在一開始出現(xiàn)了不吻合狀態(tài)，這也是一開始本文提到的問題，當(dāng)同步機制生效后，數(shù)據(jù)開始連續(xù)吻合了。在約126點和195點的位置，也發(fā)生了數(shù)據(jù)錯誤現(xiàn)象，原因暫時不明，后續(xù)將進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

    針對球磨機數(shù)字振動信號的字節(jié)流搭建了時間機制和螺旋緩沖區(qū)域機制，確保了數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)組合的正確性和數(shù)據(jù)包間的數(shù)據(jù)連續(xù)性，為后續(xù)實時振動信號分析做好了鋪墊。

    本文提出的螺旋緩沖算法亦可以移植到其他協(xié)議傳輸上，例如TCP、USB、SCI、I2C等，只需要更換底層通信代碼，上層對于數(shù)據(jù)的處理只需進(jìn)行少許的更改。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚仁鵬.球磨機振動信號采集與無線傳輸裝置的設(shè)計與開發(fā)[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[2] 趙立杰，陳斌，魏昊晨，等.一種非接觸式的球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號采集系統(tǒng)：中國，CN 105136276 A[P].2017-11-10.

[3] 姚章俊，陳蜀宇，盧堯.一種高性能環(huán)形緩沖區(qū)的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程，2012，38(8)：228-231.

[4] 楊澤林，李先發(fā).基于雙指針環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016(11)：67-69.

[5] 黃毅峰.支持阻塞與非阻塞模型且線程安全的環(huán)形緩沖的設(shè)計與實現(xiàn)——環(huán)形緩沖、攻克高級緩沖技術(shù)的關(guān)鍵[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2003(11)：51-54.

作者信息:

趙立杰1，魏昊晨1，2，田志穎1，2

（1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110142；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安710072）