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第4期 工程机械车载测试系统的研发 · 109 ·
工程机械车载测试系统的研发
摘 要: 采用上下位机的系统结构, 利用无线通信模块设计工程机械车载测试系统。下位机由多个单片机、16位高速A/D转换器、无线通信模块和LCD显示器组成, 实现采集命令的接受、数据采集、工作状态的显示和采集数据的无线传输。上位机系统则采用LabVIEW图形化编程软件进行开发, 完成采集命令的无线发送、采集数据的无线接受,数据和波形处理, 通用数据文件的建立和现场测试报告的自动生成等功能。
关键词: 上下位机；数据采集；无线传输；通信协议
Development of test system for construction vehicle
Abstract: The paper presents a structure of host-slave computer, which uses the wireless communication module to design the test system of construction vehicle. The slave computer is mainly composed of several MCU, 16bit high speed A/D converter, wireless communication module and LCD monitor. It can realizes the commands reception, the data acquisition, the work state’s display and the wireless data transmission. The host computer is developed with LabVIEW, which completes the wireless commands sending, the reception of acquisition data, the data and waveform processing, the data file’s constitution and the automatic fieldwork’s test report, etc.
Keywords: host-slave computer;data acquisition; wireless transport;communication protocol

1 引 言
中国是工程机械制造和应用的大国, 开发面向工程机械的测试系统以实现工程机械产品的标准化测试, 对于提高我国的工程机械产品的国际竞争力, 具有十分重要的意义；同时为提高现有工程机械产品的性能和新产品的开发提供了必要的依据[1-2]。最近十几年, 无线通信已成为科学技术发展最活跃的领域之一[3]。因此, 无线通信给工程机械的测试技术带来了更为广阔的发展空间。
面向工程机械的数据采集及信号分析系统的软件采用LabVIEW作为开发平台, 可以高效地实现工程机械的信号采集、信号处理、信号分析、结果表达等功能, 能够有效跟踪工程机械的各项技术指标的变化, 明确捕获异常峰值, 快速准确地分析问题, 同时可以增加网络和遥测功能, 从而更适应于恶劣环境的检测, 还可以根据需要随时调整系统结构和功能[4-5]。
比较而言, 传统的车载有线设备只能应用于短距离控制, 而且整个系统比较庞大, 驾驶室里空间比较有限, 不能承载过多的人员和放入过于复杂的测量仪器, 有线车载系统受到限制。本研究把无线通信技术、车载平台、信息显示系统以及计算机控制分析系统有机地结合起来, 此设计方法还可推广到其他机械系统的测试中[4-8], 因此具有更为广阔的应用前景。
2 系统组成
系统主要由下位机部分和上位机部分组成。下位机分为数据采集模块、状态显示和无线数据收发模块。上位机由计算机、无线通信模块和单片机组成, 单片机主要完成无线传输模块的初始化, 上位机部分用LabVIEW作为软件开发平台, 测试系统结构如图1所示。

图1 车载测试系统结构图
Fig. 1 Scheme of test system for construction vehicle
上位机部分可放置在离被测工程机械400米以内的地方,下位机部分放在被测工程机械上。上位机发送采集开始、采集结束命令, 同时发送采集周期、采集通道等信息, 下位机采集各种传感器转换的电信号, 并进行初步处理, 处理后的有效数据送HAC-UN系列微功率无线数传模块的发送端进行发送, 上位机的无线传输模块接收的采集数据后送入上位机, 同时进行数据的显示和进一步处理, 生成通用数据文件, 可按要求自动生成现场的测试报告。通用数据文件可在工程机械测试系统的信号综合分析模块中进行各种信号分析。在被测工程机械上还放置一个可以接收各种传感器信号的通用接线盒、电源接线盒和一个蓄电池。
3 系统硬件设计
3.1  下位机系统硬件设计
本系统采用实时采集、实时传输的方式。为了使下位机系统的采样周期比较短, 下位机系统采用模块化的设计方式, 系统主要由采集模块、无线传输模块和状态显示模块组成。下位机结构如图2所示。
采集模块由STC89LE516RD+的单片机、16位 A/D转换器MAX1188、通道选择开关CD4051和电压调理器OP07组成, STC89LE516RD+的单片机作为整个下位机的主控制器。无线数传模块由HAC-UN192和AT89S51单片机组成。状态显示模块由液晶显示器SMC12864-05和STC89C52RC的单片机组成。

图2 下位机的结构框图
Fig. 2 Block diagram of slave computer
STC89LE516RD+单片机为低功耗的51系列单片机, 最高时钟频率80 MHz, 有64k字节flash存储器, 1 280字节内部RAM, 这为系统的高速采集和数据的实时无线传输提供了有利条件。P1.0、P1.1、P1.2、P1.3控制A/D转换器MAX1188的转换过程, P2口接收转换通过无线发射模块HAC-UN192发送数据, 并接收上位机的控制命令, P1.5控制显示单片机STC89C52RC的P3.2(INT0)端, 产生中断信号, 显示单片机接收到中断信号以后, 通过P0口读取有关采集状态信息并显示。
MAX1188为16位的A/D转换器, 转换速度达到135 ksps, 量程为-10 V~+10 V, 内部自带工作时钟和4.096 V的基准电压, 为采集系统的高精度提供了条件。采用模拟转换开关CD4051可实现对8个通道参量的采集。系统采用运算放大器OP07构成电压跟随器, 增加前向通道的阻抗, 减小前向通道对A/D转换的影响。
为了系统调试方便, 系统设计了下位机的工作状态显示模块, 该模块的单片机主要接收采集模块发送工作状态信息。
无线收发模块由HAC-UN系列微功率无线数传模块和AT89S51单片机构成。HAC-UN系列微功率无线数传模块采用ISM 频段, 无需申请频点, 其载频频段315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz, 这为用户提供了更大的方便。该模块具有高抗干扰能力和低误码率。其基于GFSK的调制方式, 采用高效前向纠错信道编码技术, 提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力, 所需要的外围器件少而且设计比较方便。HAC-UN采用RS232与外围设备连接, 采集模块的STC89LE516RD+扩展RS232接口与HAC-UN连接。AT89S51的P3.1接9(RESET), 上电时, 初始化HAC-UN, 使HAC-UN处于收发状态。
3.2 上位机硬件设计
上位机由HAC-UN模块通过RS232与PC机连接。与下位机一样采用AT89S51单片机来完成对HAC-UN的RESET的控制, 实现初始化。硬件结构如图3所示。

图3 上位机结构框图
Fig. 3 Block diagram of host computer
4 系统软件设计
4.1 下位机系统软件设计
下位机系统用KEIL编译软件和C语言作为开发平台, 根据硬件模块分为采集模块、显示模块和无线传输模块。无线传输模块的程序比较单一主要完成对HAC-UN的初始化。采集模块的程序流程图如图4所示。
采集模块对系统进行初始化后开始接收采集开始命令、通道数、采样周期, 这些信息收到后对进行采集通道设置和采样周期设置, 采集通道从0通道开始顺序分配, 例如采集通道数为3, 系统将分配通道0、通道1和通道2。所有采集通道采集完一次数据后, 进行数据的无线发送。
显示工作状态包括下未开始采集状态; 开始采集的采集时间、速度、通道号, 停止采集, 采集总时间, 采集次数; 采集结束状态。
4.2 通信协议的设计
串口波特率为19 200 bps, 1位起始位, 1位停止位, 无奇偶校验位。通道数的设置范围为1~8个, 采样周期的设置范围为1~99 ms。通道协议格式如表1所示。
4.3 系统上位机程序设计
上位机采用LabVIEW图形编程软件作为开发平台, 主要由数据采集、数据分离、系统标定、数据转换、工况记录、测试报告自动生成6个模块组成。

图4 下位机数据采集程序流程图
Fig. 4 Flow chart of data acquisition of slave computer
表1 通信协议格式
Table 1 Format of communication protocol
数据项
典型值
说明
数据开始标志
0×88
当上位机发送0×88时, 下位机开始采集
数据结束标志
0×99
当上位机发送0×99时, 下位机停止采集
通道选择标志
0×30~0×37
当上位机发送0×30~ 0×37时,对应通道0~通道7
采样周期标志
0×30~0×39
采样周期为1~99, 第一个数为采样周期的高位, 第二个数为采样周期的低位
1) 数据采集模块: 其功能是在数据采集之前, 对串口的几个基本参数、现场采集通道数和采样周期进行设置, 设置完成后便可开始对现场采集过程进行实时控制, 同时对采集到的数据进行自动保存。数据采集模块界面如图5所示。
2) 数据分离模块: 其功能是将多通道混合的数据导出, 将其按指定的通道数进行分离, 分离后的数据可以显示在波形图上, 同时将自动保存到磁盘目录下。
3) 系统标定模块: 其功能是对各个通道的标定系数、量纲和采样类型进行设置, 并生成标定文件,

图5 上位机采集界面
Fig. 5 Data acquisition interface of host computer
为数据转换和报告生成做准备。
4) 数据转换模块: 其功能是将分离后的数据按照标定的系数和量纲设置进行转换, 使数据由电压变成温度、速度、压力等物理量, 并将数据在波形图上显示, 同时自动保存标定转换后的数据。
5) 工况记录模块: 该模块的主要功能是记录工程机械测试现场的一些基本情况, 同时生成工况记录文件, 它是最终生成报告的重要组成部分。
6) 报告生成模块: 该模块的主要功能是导出已生成的波形文件、标定文件和工况记录文件自动生成现场测试报告。
5 系统测试
在厦门工程机械集团股份有限公司技术中心实验室, 对XG953-Ⅲ装载机在空载的情况下对动臂举升压力进行测试。下位机放置于装载机上, 上位机放置在实验室的桌上。首先打开下位机的电源开关, 下位机系统处于待命状态。运行上位机程序, 在系统主界面上点击“数据采集”进入, 设置串口, 选择采样通道数为1。图6是测试完成后软件自动生成的现场测试报告中测试波形图。
采样通道数为1, 测试压力传感器: DG1210- GW-A-2-40, 量程为0~40 MPa, 输出为0~10 V, 采样用时42 s, 最大幅值为18 MPa。

图6 经过数据标定后通道1的测试波形
Fig. 6 Test waveform of channel 1 after data calibration

第3期 汤清虎 等: 非晶态Mn-Ce-O催化芒香醇选择氧化 111
图6 是装载机动臂从最高位下降到地面后, 再举升到最高位的压力变化情况。从850 ms开始动臂下降, 17 800~18 000 ms: 动臂碰到地面阻力产生冲击, 27 000~27 800 ms: 动臂提升时所需要的推动活塞的系统压力, 27 800~29 000 ms: 动臂缸由低位到中位, 29 000~31 000 ms: 动臂缸由中位到高位, 31 000~32 500 ms: 动臂提升到最高位时冲击压力(受卸荷压力影响), 27 800~32 500 ms: 动臂提升过程, 34 000~38 000 ms: 在动臂最高位时, 继续提升动臂产生的冲击。
6 结 论
系统弥补了传统有线车载测试系统占用工程机械驾驶室的空间、控制距离有限的不足, 为工程机械的整机实际工况测试提供了良好的条件。具有以下特点:
1) 测试系统采用上下位机的结构体系;
2) 使用16位高速A/D转换器, 使系统有较高的精度和较好的实时性;
3) 下位机采用多单片机提高系统的实时性;
4) 采用无线通信模块实现了数据采集的无线 控制;
5) 上位机采用LabVIEW图形化编程软件作为开发平台, 完成采集命令的无线发送、采集数据的无线接受, 数据和波形处理, 通用数据文件的建立和现场测试报告的自动生成等功能, 界面友好。
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江小霞
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