（农业机械化工程专业论文）汽车道路试验仿真系统控制装置的研制.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 沦文，是在指导教师的指导f 通过 我的努力取得的成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了支中作了标注和 致谢中己作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成 果。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示 了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，出本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 沦文作者亲笔签名：蒲剐亨r 期：立酊z 论文使用授权的说明 本入完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定， 即学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论义。 保密，在年后解密可适用本授权 s 。 口 不保密，小论文属于不保密。 回 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：i 1 弓1 1 期：) l w r ；1 1 、 i 、 指导教师亲笔签名 福建农林大学硕士学位论文 摘要 底盘测功机是检测汽车动力性能的重要设备。本课题利用一台早期进口 的配有简单计算机控制的但已报废的底盘测功机，设计了由单片机+ p c 机组 成的主从式结构的测控系统，对该测功机进行了修复，构成了一种道路试验 模拟仿真系统。这种设计充分发挥了单片机系统接口多便于控制和p c 机运 算、存储能力强、界面美观的各自优势。文中介绍了汽车行驶阻力的组成和 电涡流式底盘测功机的工作原理，并分析了在底盘测功机上检测汽车性能 时，进行汽车行驶工况阻力模拟仿真的必要性，阐述了汽车底盘测功机的计 算机辅助测试与控制系统。该系统可使测试中的数据采集、处理、监控等自 动化。文中详细地介绍了该系统的硬件、软件、控制方式以及通过电涡流测 功器加载来模拟汽车行驶阻力的方法。 关键词：汽车底盘测功机道路试验模拟行驶阻力 福建农林大学硕士学位论文 h b s t r a c t c h a s s is ( y n & q o m o t e l isk ni r o p e r a n te q u ip m e n to fe x a m i i i in ga u t o m o b ie d r i v i n gp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l ed e v i s e dat e s t i n ga n dc o a t r e i i n gs y s t e mw i t h ap m r i m ea n ds u b o r d i n a t es y s t e mf l l i m e ，w l l i c hisf o r m e do fs c m a n da 1 ) e r s m n a l c o m p u t e r ，b y tj s ir i ga ne a 。1y i m p e l t e dc h a s s i s d y n a m o m e t e r w h ic h ise q u ip p e d w l t has i m p ec o i l p u t e l l c o l l t 1 1 0 l ，b u th a sb e e nd is c a r d e da su s e lo s s t h is c h a s s i s “d y n a m o m e t e rh a sb e e nr e p a i r e dw e 1a n df o r m e di n t oas i m u i a t i o ns y s te m o nr o a dt e s t i n g 1h isd e s i g ne a l le x e r ta l lt h e i ra d v a n t a g e so i 。s 蹦，w h i c ho t f e r s m a n yi n t e r f 。g c e sa n dc a nb cc o n tr m i l e de a s ily ，a n dc o m p u t e r w h ic hh a sas t r o n g p e f o r m a n c ei nc a lc u l a t i n ga n ds t m r i n g ，a sw e l law n n d m f u li n t e r f a c e t h is a r t i e l ei n t r o d u c e st h ec o m m p o s it i n no fal i t o m o b ii ed r i v i n gr e s i s t a n c e ，a n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f e l e c tr 0 一e d d yc h a s s isd y n a m o m e t e r ，a n da n 1 】v z e st t l e n e e e s s i t ye l s i m u l a t in gt h ea t l t o m o h ii ed r iv i n gr e s is t a n c eint e s tin ga u t o h o b ic p e r f o r m a n c ew i t hac h a s s isd y n a m m o m e t e l a tt h es a m et i m m e i t e x p o u n d st h c a u t o m m o b i l ec h a s s isd y n a m o m e t e rs y s t e mo ft e s t i n ga n dc n n t r o l i i n g t i d e dw i t l l l c o m p u t e r - r h is5 y s t e l l c a ne l f 。e l h na n t ( ) m a t i cw a yt oe e l i e c t p r o c e h s m e n il o r a n dc e n t t e lt i l et e s te dd a t as h e e t ， 【lm a k e sad e t a i le di n ir o d u f t i o n ( 1 【h e h m d w a r e ，s o f t w m e ，c o n t r o l l j n gm o d e sn ft h iss y s l e m ，a sw e l lt h cm e t h 。dw h ic 1 1 s i m u l a t e st h ea u t o m o b il ed r i v i n gr e s is t a n c eb yl o a d i n gt h e e l y n a l n ( n p t e r k e yw o r d s ：a u t n m o b i1e ：c h a s m s 一( y l l a n l o l l l e t e r ：r c a d te s t in g d l i 、1n gf e s is t a e c e 4 福建农林大学硕士学位论文 1 引言 汽车性能的测试不仅汽车制造行业十分关注，汽车修理行业以及车辆管 理部门对此十分重视，被公安、交通管理部门列为对车辆作定期检测时必须 检测的车况数据。因而汽车检测技术的重要性日益突出出来，各种检测设备 也应运而生。作为大型实验设备，汽车底盘测功机可以模拟汽车道路试验的 各种工况，完成汽车的经济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可 靠性试验以及与汽车传动系统有关的专项试验。它在汽车试验研究、产品开 发和新车及在用车质量检测中是不可或缺的。使用汽车底盘测功机完成汽车 道路试验及各类型的质量检测与通常的道路试验相比具有试验速度快、精度 高、费用低、数据稳定、可比性好等优点。 1 1 本课题研究的现状 省内的所有底盘测功机均不具备行驶工况的仿真功能，而目前检测车辆 都要求在具有路况仿真功能的底盘测功机上进行，我省尚无任何测功机能满 足试验要求。目前省内的测功机产品不少采用人工操作方法，因此数据采集 的同步性差，测量误差大，计算精度低，劳动强度高，人机交互差，试验过程设 黄困难，对试验不能进行有效实时干预，试验结果不能自动进行分析，无数 据存储功能。交通学院在八十年代引进过一台丹麦的底盘测功机，该机在当 时具有先进性，但与现在科研型底盘机要求相比，已属于淘汰范围，该机的 控制部分已经损坏，无法使用，但机械部分尚完好。 国内许多厂家先后研制开发了一系列测功机产品，这些产品主要用于检 测轴重i 0t 以下的汽车底盘输出功率，功能一般较单一，不易扩展，尚不能 进行较全面的道路模拟试验。 1 2 本课题研究的意义 使用汽车底盘测功机可以模拟汽车道路试验的各种工况，完成汽车的经 济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可靠性试验以及与汽车传动 系统有关的专项试验。它在汽车试验研究、产品丌发和新车及在用车质量检 测中是不可或缺的。利用上述交通学院已报废的底盘测功机的机械系统，研 福建农林大学硕士学位论文 制由计算机控制的测控系统，构成完善的模拟道路试验系统。既节约了经费， 又填补了我省道路模拟试验方面的不足。 本课题采用了由单片机测控系统+ p c 机组成的主从式系统结构。单片机 系统面向控制，易于灵活地设计，它负责完成信号的放大、电平移位、低通 抗混淆滤波和a d 转换以及对底盘测功机行驶阻力的闭环控制，而检测过程 中图形、数据的显示、数据的储存、运算以及系统传感器等的标定、驾驶提 示的显示等工作则交由p c 机完成，这样充分发挥了单片机系统接口多，便 于控制和p c 机运算、存储能力强、界面美观的各自优势。选用p c 机一单片 机主从结构可使整个仪器系统具有较强的“柔性”，一方面，在设计单片机 测控系统时考虑在硬件上留有一定的能力富余，为将来的升级扩充做准备： 另方面，检测过程中的全部计算工作均由p c 机编程实现，这样当国家标 准升级时，只需修改p c 机程序和单片机程序就能实现相应的功能升级。 1 3 本项目研究的目标 ( 1 ) 连续采集的数据：涡流制动器的阻力、车轮的转速、涡流制动器电枢的 温度。 ( 2 ) 主从式的系统软、硬件设计，p c 不断读取单片机的采集数据并进行计算， 然后向单片机输出指令和控制参数，实现对涡流制动器的励磁电流的自 动调节。 ( 3 ) 直观的图形式驾驶提示装置，符合驾驶操作人员的视觉接受规律，便于 学习、掌握。 ( 4 ) 采用单片机和计算机相结合的方法，使试验的控制向高精度、高效率和 智能化发展，提高了汽车试验的效率和精度。 ( 5 ) 可从p c 机事先输入车型等车辆参数，可视化的人机交互界面，智能化的 控制、管理、数据处理分析，构成新型的底盘测功机的试验系统。 1 4 本项目的研究内容 该项研究的内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 控制电路的硬件及软件设计，它能根据p c 所给的指令控制涡流制动器的 励磁电流。 ( 2 ) 多路数据的采集电路硬件及软件设计。 6 福建农林大学硕士学位论文 ( 3 ) 通信接口硬件和软件设计，实现单片机与p c 机的串行通信。 ( 4 ) p c 运算软件，输入输出接1 2 1 软件设计。 ( 5 ) “驾驶提示”显示，设计一种便于试验驾驶员操作的驾驶提示装置，引 导试验驾驶员控制车速，完成检测工作。 2 汽车道路试验仿真原理 2 1 汽车道路实验的要求 根据汽车道路试验方法通则g b t 1 2 5 3 4 9 0 ，汽车道路试验要求的气象 条件： ( 1 ) 试验时应是无雨无雾天气； ( 2 ) 相对湿变小于9 5 ： ( 3 ) 气温4 0 0 c ； ( 4 ) 风速不大于3 m s 。 汽车道路试验要求的路面条件：各项性能试验应在清洁、干燥、平坦的，用 沥青或混凝土铺装的直线道路上进行。道路长2 3k m ，宽不小于8r n ，纵 向坡度在外0 1 以内。 2 2 汽车道路试验方法及仿真的必要性 汽车试验是伴随着汽车工业的建立和发展而逐渐发展起柬的，已成为汽 车生产过程中一个不可缺少的重要环节。国内外有以下几种汽车试验方法： ( 1 ) 道路试验：在实际使用的道路条件下进行试验；优点：用实际条件测试， 直观；缺点：试验受气候、驾驶技术和道路状况等客观条件的影响大， 试验重复性差。 ( 2 ) 试验场试验：需建设专h j 的试验场地。试验场由各种专用试验道路、试验场 地、试验室以及各种辅助设施组成。优点：重复性好；缺点：受到气候 等客观条件的影响。 ( 3 ) 室内仿真模拟试验：由于汽车室内仿真模拟试验能在试验时，通过控制 试验条件，使周围环境影响减至最小，同时通过功率吸收加载装置来模 拟道路行驶阻力，控制行驶状况，试验不受气候、驾驶技术等客观条件 的影响，只受测试仪本身测试精度的影响，测试条件易于控制，故能进 福建农林大学硕士学位论文 行符合实际的复杂循环试验。 根据汽车道路试验的几种方法，可以看出室内仿真模拟汽车道路试验的 必要性和优越性。汽车室内仿真模拟试验，在国际汽车市场竞争r 趋加据， 产品更新换代日益频繁的今天，以其较高的试验精度、良好的经济性和安全 性而获得日益广阔的应用。 2 3 汽车道路试验仿真基本原理 汽车在道路上运行过程中存在着行驶阻力，要在试验台上模拟汽车道路 运行工况，首先要解决模拟汽车整车的行驶阻力问题，这样才能用台架( 底 盘测功机) 测试汽车运行状况的动态性能。为此，汽车在运行过程中所受的 空气阻力、非驱动轮的滚动阻力及爬坡阻力等，经采用功率吸收加载装置柬 模拟。路面模拟是通过滚筒来实现的，即以滚筒的表面取代路面，滚筒的表 面相对于汽车作旋转运动。在系留装置及车偃等安全措施保障下，通过控制 系统可对加载装置及惯性模拟系统进行自动控制，以实现对车辆的动力性的 检测。 为进一步说明汽车室内仿真模拟试验的原理，下面先对汽车的驱动力和 它的行驶阻力作一简要的分析。 2 4 汽车的驱动力和行驶阻力 确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此，需要 掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力。根据这些力的平衡关系建立汽 车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度1 2 1 。 汽车的行驶方程式为 f = f ( 2 一1 ) 式中f 为驱动力；y f 为行驶阻力之和。 驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚 动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。现在分别研究驱动力和这些行驶 阻力，并最后把f = f 行驶方程式加以具体化，以便研究汽车的动力性。 福建农林大学硕士学位论文 2 4 1 汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上，此时作用于驱动轮上 的转矩产生一对地面的圆周力，地面对驱动轮的反作用力即是驱动汽车的外 力，称为汽车的驱动力。 2 4 2 汽车的行驶阻力 汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空 气的空气阻力。滚动阻力以符号表示，空气阻力以符号t 表示。当汽车 在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符 号f 表示。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力，以符号f ，表示。因此，汽 车行驶的总阻力为 ，= + + f + 目 ( 2 2 ) 上述诸阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，坡 度阻力和加速阻力只在一定行驶条件下存在，在水平道路上等速行驶时就没 有坡度阻力和加速阻力。 2 4 2 1 滚动阻力 汽车行驶的滚动阻力f r 的计算式为 f j = c f ( 2 - 3 ) 式中： g 汽车总重力： ，滚动阻力系数，滚动阻力系数与模拟路面的滚筒种类、行驶车速以及 轮胎的构造、材料、气压等有关； 轮胎气压对滚动阻力系数影响很大，气压低时在硬路面上轮胎变形大， 滚动时迟滞损失增加，为了减少浚项所引起的检测误差，要求在动力性检测 前必须将轮胎气压充至标准气压。 福建农林大学硕士学位论文 2 4 2 2 空气阻力 汽车直线行驶时，受到的空气作用在行驶方向上的分力称为空气阻力。 空气阻力凡的计算式为 l = 蒜疗( 2 - 4 ) 式中： c 。空气阻力系数，轿车取o 4 o 6 ，货车取o 8 - 1 o ， 大客车取o 6 o 7 爿汽车迎风面积，a = 旦崩b 汽车的前轮距，汽车的高度 “。汽车行驶速度，k m h 在底盘测功机检测台上测试汽车的最大车速、最大爬坡度等项目时，可 用电涡流加载装置模拟阻力加在驱动轮圆周上来仿真空气阻力。 2 4 2 3 坡度阻力 汽车坡度阻力f 的计算式为 f = g i( 2 - 5 ) 式中：g 总重，坡道阻力系数 2 4 2 4 加速阻力 汽车的加速阻力f 的计算式为 = 翻鲁( 2 - 6 ) j d t 式中：j 汽车旋转质量换算系数； 历一质量：警一加速度，害z 詈：d td tt 对汽车进行测试时，室内底盘测功机的计算机系统可输入车辆有关参 1 0 福建农林大学硕士学位论文 数，经计算机快速运算各项阻力值，通过电涡流制动器加在测功机滚筒上 去。 总之，只有汽车驱动轮驱动测功机滚筒并克服了上述所加各项阻力( 消 耗了功率) 之后，测出的动力性参数与真实值才有可比性。 3 汽车道路试验仿真的组成 汽车道路试验室内仿真模拟装置主要由计算机、道路模拟系统、数据采 集与控制系统、安全保障系统及引导系统等构成。室内汽车检测设备亦称检 测平台。利用电涡流制动器作为加载装置( 即功率吸收装置) ，对汽车道路行 驶阻力进行模拟仿真，检测汽车的动力性能十分方便。 3 1 道路模拟系统 道路模拟系统主要由底盘测功机和电控系统组成( 电控单元将在后面的 章节中叙述) ，汽车底盘测功机的结构示意图如图3 一l 所示。测试时，汽车 后驱动轮架于测功机的两个滚轮( 4 ，9 ) 之上，轮胎的转动带动了滚轮的转动， 而功能吸收装置( 2 ) 却阻止这一转动，其阻力距通过力传感器( 1 0 ) 检测；速度 传感器( 5 ) 用于测量轮胎的转速通过转速和力矩两个基本参数，可以计算出 汽车输出的功率。举升器( 7 ) 在“气升气降”阀门的控制下，通过气压系统 可以升降，当汽车开上下试验台时，举升器升起与汽车轮胎接触，试验进 行时，举升器降下，脱离与轮胎的接触。 3 2 功率吸收装置( 加载装置) 3 2 1 功率吸收装置类型 在汽车检测线上所用的底盘测功机功率吸收装置的类型有：电涡流式、 水力式、电力式。由于一般水力式功率吸收装置的可控性较电涡流式差，电 力测功机的成本较高，电涡流式加载装置可控性好、结构简单、体积小、重 量轻、便于安装，在底盘测功机中得到广泛的应用。因而国内所生产的汽 车底盘测功机大多数采用电涡流式功率吸收装置。 3 2 2 电涡流功率吸收装置的基本结构 电涡流机又称电涡流测功器，是基于涡流电流进行工作的设备。它由定 子和转子两部分组成。定子部分包括定子架和装在上面的励磁线圈。定予框 福建农林大学硕士学位论文 架周围有孔，励磁线圈装在孔内。定子框架中心部分轮毅，借助两个滚动轴承 支撑在转子轴上。转子部分包括转予轴和固定在该轴上的两个转子。两个转 子分别位于定子部分的两端，转子轴可以被外力带动而自由转动。转子外圆 制成凸凹不同的形状，转子的内侧端面与定子的端面保持很小的间隙，该间 隙电磁学上称为气隙。该转子的内侧面是十分光滑的平面，涡流电流就产生 在这个光滑平面上【5 l 。 涡流环必须能使涡流在其中自由产生，为此要求制作涡流环的材料电 阻越小越好。对转子和定子要求磁力线能顺利通过，材料应具有高的导磁率， 电工纯铁和低碳钢适合于做这些零件的材料。为了避免磁力线通过转子轴造 成不必要的损失，转子轴可采用非导磁材料制造。 1 靠纂2 摘瞧基波艘蔓3 。堑建糖 漩符s 蘧疰传馨器 鬟糖节j 攀丹嚣e 翩动器9 滚筒i o - 力传瘩嚣 圉3 - 1 警通毒! 汽卑雇盘澍功枫道路模拟系统绻辑录惫圉 3 2 3 电涡流功率吸收装置的工作原理 由图3 2 来分析电涡流功率吸收装置的工作原理：当励磁线圈通以直流 电时，在转子与铁芯问隙处就有磁力线通过。此间隙的磁通分靠在转子齿顶 处的磁通密度大，而通过齿槽处的磁通密度小。当转子以转速r l 旋转时，则 福建农林大学硕士学位论文 在a 处的磁通就减少。由磁感应定理可知，此时在定子的涡流环体内产生感 应电势，力图阻止磁通的减小，于是就有电涡流产生，涡电流方向用右手定 则判定，如图“+ ”所示。同理，在b 处产生的电涡流如图3 2 中所示。 由图3 2 可见在齿顶处的电涡流方向为“”，因此用左手定则判定，此时 定子受力，其方向如图3 2 所示。而在齿槽处由于磁通很小，所以受力也很 小。因此总的受力f 之方向如图3 - 2 所示。 当测功机转予以转速n ( r m i n ) 转动，且给励磁线圈加一定的电流时， 可摆动的定子外壳就产生一定的阻力矩t ( n m ) 便可得到吸收功率p ， p - - t n 9 5 4 9 州( 3 - 1 ) 1 鬣轭2 蠢力缝3 袖蠢撬组4 渭流环5 空气睐6 感应千 图3 2 电感应赢力臻分布圈 3 2 4 汽车道路试验仿真装置信号采集 在室内模拟汽车道路试验时，要采集汽车的驱动力和车速两个检测参 数。 3 2 4 1 驱动力信号采集 汽车驱动力通过测量底盘测功机的阻力而得到，所使用的力传感器可 分为两种，其一是拉压传感器，其二是位移传感器，它们一边连接功率吸收 装置的外壳，另一边连接机体。 功率吸收装置在工作过程中，无论是水力式、电涡流式还是电力式，其 外壳都是浮动的，以电涡流式为例，当线圈通过一定的电流时，就产生一定 福建农林大学硕士学位论文 的涡流强度。对转子来说，电磁感应产生的力偶的作用方向与其转动的方向 相反；对外壳来说，力偶作用的方向与转子转动的方向相同。当传感器固定 后，外壳上的力臂对传感器就有一定的拉力或压力( 与安装的位置有关) ，拉 压传感器在工作时，传感器受力产生应变，可得到一定的输出电压，经放大 处理，变为o jv 信号，这样将力信号转变成电信号来处理，输入a d 板， 由单片机采样处理得到驱动力。 3 2 4 2 车速信号采集 测量测功机上滚筒的转速( 即车轮转速) ，来计算汽车的车速。本课题 中用到的车速信号传感器是直射式光电车速传感器。它由光源、带孔圆盘和 光敏管组成。汽车车轮带动滚筒滚动时，带动圆盘以一定的转速旋转，光源 连续发光，当光束通过圆盘上的小孔时，光束照到光敏管上，使它产生相应 的电脉冲信号。此信号送入单片机的计数器即可得到被测轴的转速，根据滚 筒的半径及圆盘上小孔的个数可得到车速信号。 1 免羁 2 翻蠡3 - 兜敏警 囝3 3 童射式光电车蘧 传蒜器工鼍筝示意图 1 4 福建农林大学硕士学位论文 4 控制系统设计概述 4 1 总体设计 确定采用单片机测控系统+ p c 机的主从式配置方案。单片机测控系统包 括了底盘测功机控制系统、各通道信号( 车速、转矩) 的前处理单元、数据 采集及a d 转换单元。p c 机部分包含了命令和数据的通讯、数据的运算、存 储、打印、驾驶提示等单元。系统采用主从式配置，p c 机为主机，单片机测 控系统为从机。操作人员仅对主机进行操作，而从机完全由主机通过发送命 令进行控制。 4 2 信号采集部分的设计 根据要求，需要采集一路转速、两路温度、两路力信号，其中转速为脉 冲信号，其余为模拟电量，要对它们进行放大衰减电平移位( 处理成0 5 v ) 、 低通滤波及采样保持、a d 转换，由单片机采样得到相关数据，单片机还必 须与p c 机进行可靠的双向数据通讯。 4 3 底盘测功机闭环控制部分的设计 由单片机控制电涡流测功机的电流从而控制模拟阻力的大小，力信号又 由信号采集部分实时检测、反馈，按标准规定的加载要求闭环控制。电涡流 测动机的计算机控制结构如图4 一l 所示，其中f ( 设) 是根据g b l 8 2 8 5 2 0 0 0 的要求，经计算机处理所得到的期望值，f ( 馈) 是根据速度传感器及力传 感器的实时检测值经计算得到的涡流测功机的实际吸收功率值所相应的模 拟阻力。调节器由离散p i d 控制，执行器是一可控硅电流控制装置，控制给 予涡流测功机的电流达到控制测功机的总模拟阻力。 f ( 适) o 圈4 - 1 涡盖舅聃龃闭珲毪捌 福建农林大学硕士学位论文 4 4 驾驶提示部分设计 驾驶提示以直观的图形方式显示在大屏幕显示器上，驾驶员根据图形的 提示控制汽车油门。驾驶提示部分是保证测试工作j 下确运行的重要组成部 分。它的界面设计必须直观、易于理解。经过反复比较，我们采用了f - t - v ( f ： 行驶阻力，v ：车速) 时间历程曲线式的图形界面，实践表明：它比数字界面 直观、更易于实现有提前量的修正操作，对于一般驾驶员，只要经过不长时 间的训练就能很快掌握操作方法。 5 硬件描述 系统硬件主要是指从机部分的硬件设计，它应完成对传感器送来的信号 进行发送、电平移位、低通抗混淆滤波、a d 转换、接收p c 机的命令，并将 采样数据发送给p c 机的功能。它包括测功机电控板、单片机系统板和信号 预处理板的设计。 5 1 系统硬件框图 图5 一l 是系统硬件组成的简略框图。 图5 1 系统硬件简略框图 温度和压力信号是模拟量，要经过放大和a d 转换，送到a t 8 9 c 5 2 ，而 1 6 福建农林大学硕士学位论文 速度是数字量，直接将信号送到单片机。要控制的主要参数为励磁电流，通 过控制晶闸管的导通角( 即触发时间) 来实现输出电流的大小。 5 2 单片机的选择 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机。它是把 组成微型计算机的各功能部件：中央处理器c p u 、数据存储器r a m 、程序存 储器( r o m 、e p r o m 、f l a s h 存储器) 、t o 接口电路、定时器计时器等部件 集中在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机1 1 1 】。 由于目前国内大量采用i n t e l 的5 l 系列单片机进行开发，但该系列的 主力芯片8 0 3 1 因为无内部程序存储器，必需挂外部r o m ，这样不但增加了外 部r o m 和地址锁存器芯片，而且还占用了大量的单片机口线资源， 本课题中作为从机的单片机，选用了a t m e l 公司的8 9 c 5 2 单片机，其指 令、引脚和内部结构与8 0 3 1 完全兼容。a t 8 9 c 5 2 单片机是一个低电压，高性 能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器 ( p e r o m ) 和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公 司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大的a t 8 9 c 5 2 单片机可为您提供许多高性低比的系统控制 应用领域。a t 8 9 c 5 2 有以下的主要功能： ( 1 ) 兼容m c s 5 l 指令系统 ( 2 ) 3 2 个双向i 0 口 ( 3 ) 3 个l 6 位可编程定时计数器 ( 4 ) 低功耗空闲和掉电模式 ( 5 ) 8 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m ( 6 ) 2 5 6 8 b i t 内部r a m ( 7 ) 时钟频率o - 2 4 m t t z ( 8 ) 可编程u a r t 串行通道 ( 9 ) 共6 个中断源：2 个串行中断，2 个外部中断源，2 个定时器中断 ( i 0 ) 3 级加密位，软件设置睡眠和唤醒功能 与a t 8 9 c 5 1 不同之处：p 1 o 和p 1 1 还可以分别作定时计数器2 的外部计时 输入和计数输入。参见表5 一l 。 福建农林大学硕士学位论文 表5 一lp 1 0 和p 1 1 的第二功能 i 引脚号功能特性 f p 1 0 t 2 ( 定时计数器2 计数脉冲输入) ，时钟输出 p 1 1 t 2 e x ( 定时计数器2 捕获重装触发和方向控制) 5 3 其它外围主要芯片简介 5 3 1 模数转换芯片m a x l 9 7 m a x l 9 7 是一个多量程的1 2 位模数转换器，仅需要+ 5 v 的电源。它有8 + 4 总线接口。具有以下特点： ( 1 ) 1 2 位分辨率a d 转换器，线性误差小于1 2 l s b ： ( 2 ) 最小转换时间：6 肛s ，l o o k s p s 采样率：单+ 5 v 工作电压： ( 3 ) 内部或外部时钟操作方式； ( 4 ) 可软件选择的输入范围为：! o y ，5 v 。o 5 v ，o 1 0 v ： ( 5 )8 路模拟输入通道； ( 6 ) 两种电源关断方式； ( 7 ) 故障保护输入( 1 6 5 v ) ； ( 8 ) 内部4 0 9 6 v 或外部参考电压； 引脚配置如图j 一2 所示。当h b e n = o 时，送低8 位数据，当h b e n ：i 时，送高4 位 数据。在附录a 电路原理图中图1 2 2 ，m a x l 9 7 的电源是单独的，目的是为了 提高系统的稳定性。 5 3 2 放大器a d 6 2 0 在信号预处理板中，力传感器信号的放大和电平移位采用低功耗高性能 的仪用放大器a d 6 2 0 来完成。该芯片集放大和电平移位两大功能为一体，仅 需要个外接电阻即可得到l 1 0 0 0 倍内的任意增盏。而且只需要在移位电 平输入脚提供参考电压即可完成电平的移位。工作电压为双电压2 3 v 1 8 v ，最大工作电流1 _ 3 m h ，很适合作信号的放大移位用。因此单片a d 6 2 0 就可以取代原来需要用三片普通运放构成的电路，而且a d 6 2 0 具有低噪声和 低温漂的特点，使得整个电路更稳定可靠，大大提高了信噪比。 福建农林大学硕士学位论文 圉5 2i a i 丐l 5 3 3 r s 2 3 2 电平转换芯片m a x 2 3 2 单片机与p c 机的通讯采用串行通讯方式。p c 机上设有标准的串行通讯 口。按i e e er s 2 3 2 的标准规定，r s 2 3 2 的电平全部采用1 2 v 电平，而8 9 c 5 2 单片机的串行口电平为o v 和5 vt t l 电平，因此必须进行电平转换，我们选 用专用的r s 2 3 2 电平转换芯片m a x 2 3 2 来完成电平转换任务。该芯片为5 v 供 电，可将8 9 c 5 2 送来的t t l 电平转换为r s 2 3 2 电平信号传给p c 机，同时将 p c 机串行口送来的r s 2 3 2 电平信号转为t t l 电平信号送给8 9 c 5 2 。 a x 2 3 2 是姒x i5 f i 公司生产的一种带双组驱动器接收器的电平转换芯 片，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5 v 电源供电时提供r s 一2 3 2 电 平。每个驱动器将t t l c m o s 输入电平转换为r s 一2 3 2 电平：每个接收器将 r s 一2 3 2 输入电平转换为t t l c m o s 电平。这些接收器具有1 3 v 的典型门限值 及0 5 v 的典型迟滞，而且可以接收3 0 v 的输入1 12 。 5 4 可控硅模块 可控硅，也就是晶闸管，是在晶体管基础上发展起柬的一种大功率半导 体器件。品闸管承受f 向电压的时问内，改变晶闸管的触发时刻，就能改变 9 福建农林大学硕士学位论文 它的导通角，这样就改变了负载上所得平均电压或电流的大小。 当汽车驱动轮带动滚筒及电涡流机转子旋转时，若改变可控硅的导通 角，就改变定子周围励磁绕组的励磁电流，磁通的大小与励磁线圈的匝数以 及所通过的电流大小有关，励磁电流变了会引起磁通的变化，从而在固定的 涡流环中产生涡流。这种涡流产生的磁场又产生一个与转子旋转方向相同的 力，由于作用与反作用的关系，转子产生一个与自己转动方向相反的力( 该 力与励磁电流有关) ，由于转子与滚简相连，所以这个力就是施加给滚筒的 阻力，这个阻力就是模拟汽车在道路上行驶的阻力，就相当于改变了汽车行 驶的工况。具体的电路原理图如图5 3 所示：叭、d 2 、s c r l 、s c r 2 组成可控 硅桥式整流，把由变压器提供的1 i o v 交流转换成脉动直流送给电涡流机的励 磁线圈 触发信号由单片机的p 1 o 提供，当p 1 0 输出低电平时，经缓冲器l a ， 使光耦t i l l l 7 的发光二极管负极为低电平，于是，发光而激发二次侧的光敏 三极管导通，这又使三极管t 1 导通，于是+ 1 2 v 通过t l 以及r 2 3 、r 2 4 力口到晶闸 管s c r l 、s c r 2 的控制极，成为晶闸管的触发信号，其波形以及可控桥式整流 输出波形见图5 4 ( c ) ( d ) 。 喾一一峰 5 5 过零信号 圉5 3 可控硅电麝原理圈 为了使晶闸管的触发信号能与交流电同步，以便使晶闸管在每半周内的 导通角臼相同( 在不进行输出调节的情况下) ，单片机必须探测交流电的过 零时刻，并以此作为参考点来计算什么时候应该给出触发信号，为此设计了 “过零信号”电路，它主要由u 2 4 b ( l m 3 5 8 参见附录图1 2 一1 ) 组成的比较器 及相关元件构成。比较器反相输入端( 6 脚) 的基准电压由r 3 7 和r 3 6 分压 ( 参见附录图1 2 - 1 ) ，取得约0 1 v ，图5 4 ( a ) 所示波形经过r 3 4 、d 2 7 ( 参 福建农林大学硕士学位论文 见附录图1 2 1 ) 削去顶部后加到比较器的同相端( 5 脚) ，它与第6 脚的参 考电压相比较，在其输出端( 第7 脚) ，便可得到图5 - 4 ( b ) 所示的窄负脉 冲，这就是“过零信号”，送到单片机的p 3 2 作为中断信号，单片机检测 到过零信号，根据p c 送来的参数经过一定时间后输出触发信号( 见图5 - 4 中 的( c ) ) ，触发信号在下一个过零脉冲的前沿撤消。 5 6 模拟量放大 线性放大电路由高性能集成电路a d 6 2 0 组成，u - o 和u ，组成二路力传 感器信号的放大电路，其中可变电阻r w 3 和r w 5 作为增益调节，r w 4 和 r w 6 作为“零点，调节( 见附录图1 2 3 ) ，u 。s 和u * 作为温度传感器信号放 大器( 见附录图1 2 3 ) ，增益通过r * 和r o s 来调节，温度的检测仅仅是为了 防止涡流机过热。所以该参数只要求粗测，相应地增益调整电阻月。，和月o ，也 无须采用精密可调电阻。 5 7 电源 根据硬件设计的要求，本课题中要用到以下几种电源：1 2 v ，1 5 v ， + 5 v ，a c l l 0 v 。具体的电路原理图见附录图1 2 1 。需要说明的是：有单独一 路+ 1 2 v 的电源，这是因为考虑到在实际的电路板中，地线都是连在一起的。 而可控硅模块中有用到高压电源，这样会造成整个电路板都可能有高压的危 险。正因为这样，需要单独提供一路+ 1 2 v 的电源，这样只有局部有高压，而 其它部分都是低压。 5 8 复位与“看门狗” 单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。看门 狗复位电路( 见图5 5 ) 在c p u 币常工作时，由p i 4 输出一列方波，它经电 容e i o 耦合，d 2 5 、d 2 6 整流，e 0 9 滤波，在或非门u 1 6 d ( 7 4 1 s 0 2 ) 的第1 2 脚得到一个高电平，由图5 - 5 知，u 1 6 b 的第6 脚得一高电平，或非门u 1 6 b 福建农林大学硕士学位论文 u u ( a ) d 1 6 - d 19 桥式整流输出波形 ( b ) u 2 4 b ( l m 3 s s ) 输出波形( 过零信号) t t ( c ) 晶闸管触发信号 图5 4 过零信号、触发信号及桥式整流输出波形 t t 福建农林大学硕士学位论文 的输出端( 第4 脚) 输出的低电平，该电平加至c p u 的复位端r s t ，单片机 便正常工作。不能正常工作时，p 1 4 无方波输出，于是u 1 6 d 的输入端得不 到高电平，而被r 3 8 拉低，由图5 5 可知，或非门u 1 6 b 的输入脚( 第6 脚) 为低电平，因此加到另一输入脚( 第5 脚) 的过零脉冲便能通过该门电路， 并以倒相形式( 正脉冲) 出现在或非门的输出端( 第4 脚) ，它又加到了c p u 的r s t 端，使单片机复位。 在上电或供电电源瞬间断电，由于电容e 0 9 的作用，或非门u 1 6 d 的第 1 1 和第1 2 脚被拉低，通过两个或非门，或二l h lu 1 6 b 的第6 脚被拉低，当过 零负脉冲到来时，那么c p u 的复位端r s t ，得到一个正脉冲，使单片机复位。 过零信号云霉霎茎兰；i醛；位 6 主从机通讯 图5 - 5 复位电路原理图 6 1 主从机通讯说明 主从机之间通讯，对下传指令和上传数据作如下规定。下传指令说明见 表6 - 1 ，上传数据说明见表6 2 。 表6 - 1 下传指令列表 指令 0 10 20 30 40 50 6 s c r 输出s c r 输出 “举升器”“举升器”水阀开水阀关， 增大，单 减小单 意义升，单字节降。单字节单字节指单字节指字节指字节指令 指令指令 奎 令 令，增大 减小导通 导通角角 表6 - 2 上传数据列表 指令 0 l0 20 8 l 意义 压力温度转速 福建农林大学硕士学位论文 6 2p c 与下位机的握手方式 主机( p c 机) 和从机( 也称下位机) 之间进行通讯，为了保证通讯的稳 定、可靠，必须要有通讯协议。 信息格式：8 位数据位，1 , y _ 数掘位，无奇偶校验： 校验收方式：累加和校验； 传送方式：上位机采用事件驱动方式接收数据；下位机采用中断方式接 收，查询方式发送； 握手信号：采用软件握手。发送主在发送之前先发一个联络信号( 用“? ” 号的a s c i i 码，接收方接到“? ”号后回送个“”号作为应答信号) ，随 后依次发送数据块长度( 字节数) ，发送数据最后发送校验和。收方在收到 发送方发过来的校验和后与自己所累加的校验和相比较，相同则回送一个 “0 ”( o k ) ，表示正确传送并结束本次的通信过程；若不相同则回送一个 “f ”( f a i l ) ，并使发送方重新发送数据，直到接收正确为止。 7 从机部分软件描述 从机部分软件包括三大模块：主程序模块、接收服务模块和发送服务模块。 7 1 主程序模块 主程序流程图如图7 一l 所示。首先作好接收的准备，如果没有收到上位 机的命令就一真采集a d 信号，直到收到上位机的命令，才根据接收到的命 令作相应的工作。上位机向下位机发送的命令主要有：开水阀、关水阀、增 大或减小导通角、“举升器”升和“举升器”降等指令，而数据也有多种， 所以要根据要求发送。 7 2 接收服务模块 接收服务程序是比较复杂的环节，在中断服务子程序中，为了区别所接 收到的信号是联络信号还是字节数或是数据，需要设立不同的标志，为此在 可位寻址的r a m 中设定： 位地址 o o h 0 1 h 接收联络信号标志位 接收字节数标志位 福建农林大学硕士学位论文 0 2 h 接收数据标志位 0 3 h接收完成标志位 在初始化时，这些为均为0 。具体流程图如图7 2 所示。接收服务程序 要遵循以下几点判断步骤： ( 1 ) 判断接收联络标志位是否等于0 ，如果等于0 ，说明上位机作好接 收的准备，可以接收数据，否则转( 2 ) 步判断；对接收到的数据要进行 判断，看它是否等于? ，如果相等，则给上位机应答的信号， 并置接收联络标志位为1 ，为下一次的中断准备，否则应答上位机f 的 信号。 ( 2 ) 判断接收字节标志位是否等于0 ，若相等，说明上位机作好接收字节 数的准备，否则转( 3 ) 步判断；对接收到字节数，要进行奇校验，校验 成功，保存字节数并应答上位机信号，把接收字节标志位置l ，否 则应答上位机信号f 。 ( 3 ) 判断接收数据标志位是否等于0 ，若相等，说明上位机可以接收数据， 否则转( 4 ) 步判断；接收到的字符要进行累加和计算，目的是为保证数 据的正确性，接收完成时要置接收数据标志位为1 。 ( 4 ) 接收校验和并且判断是否正确，如果正确，则给上位机发送0 ( o k ) 信号，并置接收完成标志位为1 ，为下次中断作好准备，否则发f ( f a i l ) 给对方，说明接收的数据无效，要重新设置接收标志，并置接收数据标 志位为0 。 7 3 发送服务模块 发送服务流程图如图7 3 所示。 ( 1 ) 首先做好发送准备，关串口中断； ( 2 ) 发送联络信号? 。如果收到上位机的应答信号，则说明联络 成功，可以通讯，否则继续发送联络信号； ( 3 ) 发送字节数并要进行奇校验运算，若收到上位机应答信号，则 说明发送字节数成功并且校验证确； ( 4 ) 发送数据并计算累加和： ( 5 ) 发送校验和，如果收到上位机校验失败的应答信号n ，说明上位机 福建农林大学硕士学位论文 图7 - 1 主程序框图 福建农林大学硕士学位论文 图7 - 2 接收程序( 中断服务程序) 流程图 2 7 福建农林大学硕士学位论文 图7 - 3 发送程序流程图 福建农林大学硕士学位论文 接收到的数据无效，则要重新发送数据和校验和，没有收到上位机失败信号 n ，说明发送成功，打开串口中断并返回。 8 主机部分软件描述 计算机技术在汽车底盘电涡流测功机上的应用，不仅可对汽车各行驶 工况的阻力参数进行快速运算，电模拟仿真，加在测功机滚筒上：而且还 为各项测试工作的操作自动化程度的提高提供了方便。 目前的主流p c 机都是基于i n t e