（控制理论与控制工程专业论文）汽车amt数据采集与分析系统.pdf

汽车a m t 数据采集与分析系统 摘要 电控机械自动变速器 a m t 是一个复杂的多输入多输出控制系统 在 研制a m t 的过程中 无论是设计方案的选择 硬件的调试 还是软件的调 整与完善 无不依赖于数据采集与分析系统 因此 数据采集与分析系统 是a m t 系统开发的必要工具和重要组成部分 它的好坏直接关系到丌发出 的a m t 系统性能优劣与开发的效率 本文采用a m t 控制系统e c u 与上位机p c 串行通信的方式构建的数据采 集与分析系统 能对车辆的运行状态与换档操作的过程作实时监视 能对 采集数据进行定点或不定点存储 能根据不同的条件对存储文件进行检索 并能对存储数据进行分析得到控制系统的一些性能指标 本系统在a m t 控制系统e c u 上 通过增加上 下位机间数据传输的通道 一一串行通信接口电路 实现了对a m t 系统的测试 在硬件构成上简单 易于实现 成本低 在软件上把虚拟仪器测试技术引入到a m t 系统的开发 中 上位机软件在虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 下编写 使得人机交互图 形界面更加直观 生动 友好 操作更加简单 文件管理能力更强 同时 软件采用了模块化的设计 使得功能上更易于修改 移植 扩展 本文主要介绍了数据采集与分析系统的方案选择 硬件设计 下位机软 件以及上位机软件设计 关键词 a m t 数据采集串行通信l a b v i e w ad a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mf o r v e m c l ea m t a b s t r a c t a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n a m t i sac o m p l i c a t e dm u l t i i n p u ta n d m u l t i o u t p u tc o n t r o ls y s t e m i nd e v e l o p i n gt h ea m t n o to n l yt h es e l e c t i o no fd e s i g n p r o j e c ta n dh a r d w a r ed e b u g g i n g b u ta l s ot h ea d j u s t i n ga n d i m p r o v e m e n to f t h es o f t w a r e a r ea l ld e p e n do nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m s o t h ed a t aa c q u i s i t i o na n d a n a l y s i ss y s t e mi st h ei n d i s p e n s a b l ei n s t r u m e n ta n di m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p i n go f a m ts y s t e m w h o s eg o o d n e s so rb a d n e s sd i r e c t l yi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m a n de f f i c i e n c yo f t h ed e v e l o p i n g t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do ns e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n 恤ee c uo f t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ep c i tc a nr e a lt i m em o n i t o r t h er u n n i n gs t a t eo ft h ev e h i c l ea n dt h et r a n s m i s s i o np r o c e s s c a ns a v et h ed a t aa c q u i r e d a l s oc a ng i v es o m ep e r f o r m a n c ei n d e x o f t h ec o n t r o ls y s t e mb ya n a l y z i n gt h ed a t aa c q u i r e d t h i ss y s t e mu s e dt h ea m ts y s t e m se c u b ya d d i n gt h ed a t at r a n s f e rc h a n n e l t h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et oa c h i e v et h et e s to ft h ea m ts y s t e m s o i ti ss i m p l ei n i m r d w a r es t r u c t u r e a n dm a k e si te a s i e rt ob ea c h i e v e d r e d u c e st h ec o s t i ns o f t w a r e t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o ni si n t r o d u c e dt ot l l ed e v e l o p m e n to ft h ea m tt h es o f t w a r eo ft h e u p p e rp ci sc o m p i l e du n d e rt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p i n gw o r k b e n c h l a b v i e w w h i c hm a k e st h eg r a p h i c a li n t e r f a c e sf r a n k e ra n dm o r ef r i e n d l y t h eo p e r a t i o nm o r ee a s i l y a n dt h ea b i l i t yo ft h ef i l em a n a g e m e n ts t r o n g e r s y n c h r o n o u s l y b l o c k i n gt h es o f t w a r e m a k e st h em o d i f i c a t i o n t r a n s p l a n ta n de x t e n d i n ge a s i e r t l f i st h e s i sm a i n l yp r e s e n t st h es e l e c t i o no ft h ep r o j e c t h a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r e d e s i g no f t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m k e yw o r d s a m t d a t aa c q u i s i t i o n s e r i a lc o m m u n i c a t i o n l a b v i e w 插图目录 a m t 系统的组成结构图 2 基于数据采集卡的数据采集系统结构 6 基于控制系统e c u 的数据采集系统结构 6 m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机内部结构框图 13 m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机引脚图 1 4 模拟信号调理电路 1 5 开关量 数字量调理电路 1 5 脉冲量调理电路 1 6 r s 一2 3 2 接口电路 1 7 电源电路 1 7 c o m 口及其引脚编号 1 9 数据采集与分析系统的硬件组成 1 9 模拟量测量程序流程 2 2 测速中断程序流程 2 3 定时中断程序流程 2 4 串口中断发送数据程序 2 5 上位机软件组成结构 2 6 上位机软件主操作界面 2 8 主操作界面程序框图 2 8 主操作界面程序流程 2 9 实时监视模块主界面 3 0 串口初始化程序框图 3 2 串口初始化流程 3 2 数据帧的提取程序框图 3 3 数据帧提取流程 3 4 显示程序流程 3 5 文件存储流程 3 6 文件存储程序框图 3 7 分析模块界面 3 8 图形曲线分析流程 4 0 曲线绘制程序框图 4 0 工况判别流程 4 1 工况判别程序框图 4 2 按时间检索程序框图 4 3 按时间检索流程 4 0 按工况检索流程 4 4 按工况检索程序框图 4 5 性能指标分析程序框图 4 6 性能指标分析流程 4 7 离合器结合次数计算流程 4 8 离合器结合次数计算程序框图 4 9 冲击度计算流程 5 0 0 1 屯1 吨3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 2 3 4 5 6 7 8 9加 他坞m幅埔w硇均羽h猩强疆强强 h h拢h靴粥 蛳拍h娴蚋 他似州 鼬粥 聃呐 鼬蚋 洲眦洲川 i差娜 耄蚴蚴姚蚴蚴鼢蚴图图图图图图图图图图图图图图图图图冈图图图图图图图图图图图同图图图图图图目图图图图图 图5 2 7冲击度与滑摩角计算程序框图 图5 2 8滑摩角求解流程 图5 2 9安装程序运行图例 5 0 5 l 5 2 表3 1r s 一2 3 2 接口信号的定义 表5 一l数据帧的组成 表5 2中值滤波器计算示例 表格目录 1 8 3 l 3 9 独创性声明 本人声明所旱交的学做论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果 据 我所知 除厂文中特g f j d h 以标注和致谢的地方外 论文中不包吉其他人己发表或撰写过的研 究成果 也不包禽为获得 盒壁 些盍堂 或其他教育机构的学位或证拈而使用过的 材料 与我一刷j 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学何做储虢面戈烈签字日期 年石月舌日 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒 b 王些叁堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部 j 或机构送交论文的复印件或磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权 金世 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或扫描等复印手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 莒2 9 戈多弓 f 签字口j 撕年6 b6 日 学位论文作者毕业后去向 f 作单位 通讯地自 导师签名 电话 邮编 致谢 本文的研究工作是在导师孔慧芳副教授的悉心指导下完成的 在三年的研究生学 习期间 我一直深受导师的教诲 导师敏捷的思维 渊博的学识 严谨的治学态度 勤奋求实 不断进取的工作精神给我留下了深刻的印象 为我今后的工作和生活树立 j 7 榜样 使我终身受益 而且还给我提供了有利的学习环境和科研条件 在此 向辛 勤培育我的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意 同时还要衷心地感谢所有关心 帮助 我的老师和同学 特别要是我的师兄弟们 再次祝大家身体健康 谢萌f 大家 作者 薛大为 2 0 0 6 年5 月 11 a m t 简介 第一章绪论 车辆自动变速技术是人们长期以来一直追求的目标 国外从1 9 4 0 年开始 即从事自动换档变速箱的研究 5 0 年代后期开始在轿车上使用 8 0 年代中后期 由于电子技术 计算机技术和自动控制技术的迅速发展和广泛应用使自动变速 箱的自动操纵技术有了很大的发展 当今 以内燃机为动力系统的车辆实现传动系统自动化的方法主要有以下 三种 液力式自动变速器 a 丁 无级变速器 c v t 及机械式自动变速器 a m t 液力式自动变速器由液力变矩器和行星齿轮变速器组成 此种变速系统诞 生于二十世纪三十年代 由于液力变矩器随着阻力矩的变化自动调整转速 而 且可以在不切断动力的情况下实现换档 在自动换档时 驾驶员只需操纵加速 踏板 不必考虑选择那个档位进行换档操纵 有利于将注意力集中到行驶安全 性方面来 由于a t 传动系统简化了操纵 提高舒适性和车辆平均速度以及车 辆的安全性 所以至今仍占据着自动变速系统的主导地位 但它存在液力变矩 器传动效率低 行星齿轮变速器结构复杂 制造工艺要求高 价格贵等缺点 无级变速器c v t 操纵方便 驾驶舒适 能最大程度地发挥发动机的动力性 经济性 具有有级变速器无法比拟的优点 是提高车辆燃油经济性的理想装置 被认为是未来最具发展前途的自动变速装置 c v t 传动系统包括 起步装置 行星齿轮机构 无级变速机构 自动变速操纵系统和中间减速构组成 c v t 目 前存在的主要问题包括传动带的强度和寿命问题 以及传动带与带轮之间的滑 磨问题 以上问题限制了c v t 的传递功率 降低了传动效率 机械式自动变速器 即a m t a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 充分利用 电子技术和控制技术 将传统的机械变速器加以改造 它是在传统固定轴式变 速器和干式离合器的基础上 通过加装电控单元 简称e c u e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t 控制的自动操纵机构取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离 接合 摘档与挂档以及发动机相应同步调节等操作 最终实现换档全过程操纵的自动 化 它既具有a t 自动变速的优点又保留原来手动变速器齿轮传动效率高 成本 低 结构简单 容易制造的长处 正好弥补a t 的弱点 更加顺应追求功能完 善与价格低廉的产品发展趋势 由于我国制造的各类车辆绝大多数采用传统的有级定轴机械式变速器和普 通的干式离合器 因此a m t 比较适合我国国情 在我国具有良好的发展前景 八五期间 电控机械式自动变速箱 被列为国家火炬预备计划 九五期间 它 的研究开发被列为 九五 科技攻关项目 八十年代初期以来 已经有很多的 高校和科研院所进行了a m t 技术的研究工作 如吉林大学 北京理工大学 上海交通大学等单位 1 2 课题来源与介绍 本课题来源于同安徽江淮汽车集团签定的 帅铃a m t 变速箱的研究与开 发 项目 是在原有的发动机系统和机械变速系统的基础上增加自动变速操纵 系统 来实现换档操作过程的自动化 此a m t 系统的基本组成结构如图卜1 所示 控制原理为 驾驶员根据当 前汽车运行状态 路面情况通过加速踏板和选择开关向电控单元表达操纵意图 大量的传感器时刻掌握着车辆的运行状况并向电控单元传送状态信号 电控单 元根据这些信号按存储在其中的控制程序 最佳换档规律 离合器最佳接合规 律 发动机油门的调节规律等 对油门 离合器 变速器三者的执行机构进行控 制 以实现起步和换档的最佳配合 从而获得优良的行驶性能 平稳而迅速的 起步和换档能力 厂 磊 i 人体感觉 电信号 一机械信号 图1 一ia n t 系统的组成结构图 2 1 执行机构 离合器执行机构 由直流伺服电机驱动 通过控制减速机构 蜗轮蜗杆 实 现离台器自动分离和平稳接合控制 变速器执行机构 包括选档机构和换档机构 分别由两个步进电机驱动 完成摘档 选位和挂档操作 油门执行机构 由步进电机驱动 完成对油门踏板位置的跟踪以及换档过 程中发动机转速的调节 2 输入信号 反映驾驶员操作意图的传感器信号 加速 油门 踏板位置信号 手动 自动换档选择开关 选档手柄开关信号 前迸档 空档 倒档 停车档 制动 踏板状态信号 反映车辆运行状态的信号 主要有发动机转速信号 变速箱输入轴转速与 车速信号 执行状念反馈信号 包括选 换档位置信号 离合器行程信号 油门开度信 号 用来判断执行机构的动作状态 3 通讯接口 包括r s 一2 3 2 总线接口和c a n 总线接口 其中c a n 总线接口用以和车辆其他 电控系统通讯 r s 一2 3 2 总线接口主要用来与数据采集分析计算机系统进行通 讯 为数据采集计算机传送数据提供通道 4 e c u 电子控制单元e c u 是整个电控系统的核心 系统所有的控制功能都是由e c u 在软件管理下来完成的 13 数据采集及分析系统对研制a m t 的意义 电控机械自动变速器是一个复杂的多输入多输出控制系统 在研制a m t 的 过程中 无论是设计方案的选择 硬件的调试 还是软件的调整与完善 无不 依赖数据采集及分析系统 其主要原因是 1 a m t 系统中输入输出变量 参数多 变化快 时间历程短 一般凭人工直接 观测或普通的测试仪表难以观察到的一些现象 特别是多个控制参数瞬息变化 的复杂动态过程 只有利用数据采集及分析系统 才能进行完整 细致的分析 2 自动换档操纵系统对于多个设计方案的选择 传感器 执行机构等硬件的 安装 调试 特别是软件的设计 调试 都有赖于通过大量的试验 试车 随 着自动变速理论发展和不断完善 为了更合理地确定换档规律 提高自动变速 系统对不同道路 车况的适应性 这些都需要做大量的试验 采集一定量的数 据作为设计的依据 3 即使有了大量的数据 要想得到技术人员关心的性能指标 还要对其进行 处理和分析 这些工作的完成用人工是很费时甚至是不可能的 利用数据采集 及分析系统可对采集到的数据自动进行处理和分析 很快地得到有用的试验结 果 并以形象 直观的方式提供给设计人员 因此 数据采集与分析系统是a m t 系统开发的必要工具祁重要组成部分 它的好坏直接关系到系统开发的效率与开发出的a m t 系统性能优劣 1 4 本文研究的主要内容 研究适用于汽车电控机械式自动变速器开发的数据采集与分析系统 要求 该系统能够适应车辆的实际条件 可以实现多种试验条件下的数据采集与分析 具体包括的主要方面有 1 能实时动态的监视车辆当前的运行状态和自动变速操作过程 2 能对采集到的数据有选择的进行定点或不定点后台自动存储 并能做一定 的标识以备检索 3 能够对采集到的数掘进行图形益线分析 再现试验中每一时闯历程 4 对存储的数据文件要能够按条件进行区分和查询 以减轻研发人员的工作 强度 5 能够从采集到的数据对部分性能指标自动分析 提高a m t 系统研制的效率 和水平 6 软件的图形化人机交互界面要友好 操作要简单 可移植性要强 易于功 能修改与扩充等 2 1概述 第二章方案设计 针对a m t 的数据采集分析系统是在车辆行驶或原地试验时对于换档过程中 的各信号进行实时动态采集 信号经过处理后以直观的方式表示 以数据的形 式被存储 并利用软件对存储的数据进行分析 得到研发人员所关心的参数和 指标 在选择设计方案时主要考虑使方案在实现上述功能时 既满足性能要求 又简单 轻便易于操作 2 2 数据采集分析系统的性能要求 根据本文研究的主要内容的分析 本数据采集及分析系统应当满足以下性 能要求 1 为了能对a m t 系统做出客观的分析 对各采集信号要能比较准确的测量 2 为了能够存储一定数量的数据文件 数据采集分析系统必须具有相当的存 储空问 3 根据数据采集系统可能使用的试验条件 系统应该具有一定的抗冲击 振 动的能力 可靠性要好 4 软件图形界面要友好 易于操作 23 数据采集实现方式的确定 随着计算机技术 现代测试技术的发展 以p c 机为主体的数据采集系统 已成为主流 由于支持p c 机的软硬件较多 使其不仅功能强 性能好 价格低 易于使用 而且极具灵活性 用户可根据需要进行改装和扩展 扩大应用范围 针对a m t 系统开发的特点以及采集分析系统的性能要求 数据采集可采取 以下两种方式 1 基于数据采集卡的系统 基于数据采集卡的数据采集系统 是指传感器信号通过信号调理电路或设 备转化为符合采集卡要求的信号 由采集卡完成信号的采样与转换并送给计算 机 计算机软件控制着整个测量系统 它告诉采集设备什么时候从哪个通道获 取数据 同时对原始数据进行分析处理 并将结果表示出来 这种方式传感器产生的信号将独立地传送到控制系统和采集系统 系统闻 容易相互干扰 控制系统与采集系统必须要采用必要的隔离措旌 基于数据采 集卡的系统结构如图2 一l 所示 图2 一l 基于数据采集卡的数据采集系统结构 2 基于控制系统e c u 的系统 基于控制系统e c l i 的数据采集系统 是指传感器信号直接送给控制系统 e c u 由e c u 完成对信号的采样 转换以及相应的处理 再通过通信的方式把数 据传送给计算机p c 由p e 机作进一步处理与分析 并表示出结果 控制系统 是在根据这些信号完成自动变速操纵任务的同时 将其传送给上位机的 因此 采集系统与控制系统的数据信号是相同的 此时车辆数据采集系统与自动换档 控制系统共用部分硬件 包括传感器 电缆 信号调理电路 a i d 转换电路等 增加的是通信接口电路 桶意暑l h 广 h 上位机 开关量 数字量 o e c u 二剖通信接口 今 p c l 模拟量 令 图2 2 基于控制系统e e u 的数据采集系统结构 出于控制系统所用的信号已经可以满足采集分析系统的需要 因此为了使 硬件部分结构简单 尽量利用a m t 控制系统所需的设备 选择方式2 进行数 据采集 n i j e c u 作为下位机完成信号采集 将处理过的信号 数据 用通信的 方式传送到上位机 p c 2 4 通信方式的确定 以控制系统e c u 作为下位机p c 机作为上位机实现的数据采集系统 通信是 一个重要环节 2 41 数据通信概述 数据通信的任务是在信源系统与目标系统之间实现信息交换 数据通信的 种类可根据数据传送方式以及同步技术的不同而进行分类 1 数据传送方式 计算机之间或计算机与控制设备之间的数据交换可分为串行传送和并行传 送两种方式 a 并行传送方式 多位数据的所有各数位同时从一个设备送到另一个设备的数据传送方式称 为并行传送 在通信中 通常并行传送数据的位数8 位 1 6 位 3 2 位和6 4 位 等 其信号线除了并行的数据线外 通常还有一组握手信号线 并行传送的优 点是传输速度快 但缺点是传输距离短 通常小于1 0 米 需要的信号线多 成 本较高 因此 近距离 高速度的情况下 采用并行传送较为适合 b 串行传送方式 串行传送方式是数据逐位顺序地在设备阳j 传送 这种方式只需要少数几根 传输线 因而可以节省通信线 特别是长距离传送时 这个优点更为突出 但 由于串行通信每次由发送地到目的地的数据只有一位 因此传送速度较慢 按通信线路上信息数据传送的方向与时间的关系 串行传送方式主要有三 种 单工通信方式 半双工通信方式和全双工通信方式 单工通信方式 信息只能沿一个方向传输 而不能作反向传输 在这种方式中 一方只能发数据 另一方只能接收数据 由于它的局限性 这种方式一般只在 特定场合应用 半双工通信方式 信息可以在两个方向上传输 但在同一时刻只能单向传输 全双工通信方式 信息可以同时沿两个方向传递的方式 为此通信双方必须具有 独立的发送器和接收器 两个方向的数据通道必须完全分开 2 同步技术 数据被发送到通信线上传输时 接收端是否能正确地接收下来 关键要解 决 同步 问题 即接收端应知道所接收信息的起始时间和持续时阳j 也就是 说接收端和发送端在时间上要取得一致 而且发送端的数据发送率必须与接收 端的数据接收率相同 否则发 收端会产生误差 并随着时间增加误差逐渐积 累 会造成收 发不同步而出错 因此为了保证数据能够正确收发 须采用同 步技术 常用的同步方法有两种 异步方式和同步方式 异步通信方式又称起止同步方式 在这种同步方式中 通信双方时钟频率 可不完全一致 允许存在一定差异 为了保证字符传送的准确性 在字符格式 中设置起始位和停止位 异步方式中同一字符内的各位是同步的 而字符之间 是异步的 同步通信方式是指通信双方使用统一时钟信号控制数据的发送和接收 该 时钟不仅对一个字符中的各位进行定时 而且也对字符之间进行定时 通信以 同步字符作为传送的开始 同步传送时不仅字符内各位之间是同步的 而且字 符之间也是同步的 异步通信方式与同步通信方式相比 各有如下特点 a 异步传输方式丌销大 每个字符都有起始位和停止位 效率低 速度较慢 但如果出错只需重发一个字符 且控制简单 该方式常用于误码率较高或数 据传输率较低的线路 h 同步方式中的接收和发送有同一个时钟管理 所以不需要起始位和停止位 从而增加了数据的宽度 同步方式开销小 效率高 可获得较高的数据传输 率 但如果数据中有一位出错 就必须重传整个数据模块 且控制比较复杂 3 串行通信种类 串行通信的标准很多 较常用的有r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 u s b 等 r s 一2 3 2 标准是美国电子工业协会 e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n 简 称e i a 颁布的串行总线标准 该标准适用于数据传输率在2 0 k b s 以下范围 传输距离在1 5 m 以内的通信 由于属于单端信号传送 这种传送存在共地噪声 且不能抑制共模干扰 r s 一2 3 2 标准的优点是应用广泛 不同厂家所生产的设备 只要具有r s 一2 3 2 标准接口 则不需要任何转换就可以互相连接起来 由于通信 设备厂商都生产与r s 一2 3 2 标准兼容的通信设备 因此 该标准广泛应用于计算 机之 h j 计算机与终端或外设之间的近距离连接和数据传输 r s 一4 8 5 接口标准是分布式测控系统应用较广泛的一种通信标准 采取平衡 发送和差分进行信号传输 具有较强的抑制共模干扰能力 传输信号可在千米 以外得到恢复 一般普通的p c 机不具备此接口 通用串行总线u s b u n i v e t s a ls e r i a lb u s 是由i n t e l 等厂商制定的连接 计算机与具有u s b 接口的多种外设之间通信的串行总线 相同的外围设备 若 采用u s b 接口 则连接时只需用串接的方式将各个设备连接在一起即可 u s b 的优点是 设备可以有窗口支持的即插即用功能 也称 热插拔 速度较 快 u s b l 1 的传输速率最高为1 2 m b s 2 4 2 采集系统通信方式的确定 下位机与上位机试验过程中都在车辆上距离较近 通信速度受采样频率的 限制 一般不超过2 0 k b s 因此 选择符合r s 一2 3 2 标准的异步串行通信方式 不但可以满足通信量的要求 而且此标准接口协议简单 编程容易 另外 由 于此接口是大多数微处理器系统的基本配置 因此成本较低 2 5 数据采集与分析系统方案的确定 总结上述各节的分析 本数据采集分析系统的方案为 传感器产生的信号通 过控制系统e c u 采集与处理 作为下位机的e c u 在控制换档操作过程的同时将 数据通过异步串行通信传给上位机p c 上位机完成数据接收 表示 存储以及 分析等 3 1 传感器选择 311 概述 第三章硬件设计 数据采集系统的信号是由传感器形成并发送的 传感器是数据采集系统的 源头 传感器选择的合适与否将对数据采集及以后的分析二 作产生重要影响 对于已有的车辆a m t 系统来说 传感器是早己选定的 数据采集系统只需从下 位机接收数据 并对其进行分析即可 无需对传感器进行选择 然而 对于a m t 系统尚未设计的车辆来说 对其进行数据采集 就必然涉及对传感器的选择 传感器的选择要兼顾a m t 控制系统和数据采集系统的要求 综合考虑 3 1 2 传感器选择原则 无论何种传感器 作为测量与控制系统的首要环节 通常必须具有快速 准确 可靠又经济地实现信息转换的基本要求 传感器选择时应遵循以下原则 1 足够的容量 传感器的工作范围或量程足够大 具有一定过载能力 2 与测量或控制系统相匹配性好 分辨率 转换灵敏度高和线性度好 3 反应快 工作可靠性好 4 精度适当 且稳定性好 即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足 要求 并长期稳定 5 适用性和适应性强 即动作量小 对被测量的状态影响小 内部信号噪声 小而且又不易受外界干扰的影响 使用安全 6 用经济 即成本低 寿命长 且易于使用 维修和较准 7 对于一个系统内功能 要求相似的传感器 应尽可能选择相同的传感器 以便互换性好 8 在满足性能要求的前提下 尽量选择用途范围广的传感器 以便通用性好 3 1 3 采集信号类型 数据采集分析系统需要采集的信号类型包括模拟量 数字量 开关量和频 率量 脉冲量 频率量包括 发动机转速信号 变速箱输入轴转速信号 车速信号 模拟量包括 油门踏板位置信号 油门开度信号 数字量包括 选档位置信号 换档位置信号 离合器行程信号 开关量包括 选档手柄位置信号 刹车开关信号 倒车信号 自动 手动选 择信号 点火开关信号等 以上这些信号 除了部分开关量和频率量已有或可直接取自车辆本身外 其他信号均来控制系统的传感器 3 14 传感器的确定 3 1 41 模拟量传感器的确定 本系统的所用到的模拟量传感器有 加速踏板 油门踏板 位置传感器 油门开度传感器 因为在油门踏板和油门调节机构中存在转动轴 这些轴的转动角度可反映 出相应机构的位置变化 所以 采用得到广泛应用的角位移传感器 这样选择 不但测量准确 能达到系统要求而且结构简单 成本较低 角位移传感器的特点如下 1 具有线性的特性曲线 2 非常紧凑 3 具备抵抗燃油 润滑油 盐化雾及工业环境的能力 3 1 4 2 频率量传感器的确定 需要采集的频率量包括发动机转速 变速箱输入轴转速和车速信号 通过 变速箱输出轴转速测量 常用的频率量传感器有霍尔式 磁电式两种 工作原 理分别如下 霍尔式转速传感器工作原理 传感器有一个与分火头一体的触发轮 轮上带有叶轮 由磁屏蔽材料制成 传感器凹槽的两侧分别为永久磁铁和霍尔芯片 当叶轮不在凹槽内时 永久磁 铁的磁力线穿过霍尔芯片 使之产生霍尔电压 当叶轮位于凹槽内时 永久磁 铁的磁力线沿轮叶分布 不能到达对面的霍尔芯片 没有霍尔电压 这样当触 发轮转动时 轮叶周期性地屏蔽到达霍尔芯片的磁力线 使霍尔芯片产生电压 脉冲 磁电式转速传感器工作原理 传感器的软铁芯被线圈包围 与一脉冲齿圈正对安装 两者之间仅有狭小 空气间隙 软铁芯与一永磁铁相连接 磁场延伸至铁磁性的脉冲线圈 并受其 影响 当齿圈的齿与传感器j 下对时 将使磁场集中从而增强线圈中的磁变动 而当齿隙正对时就会使磁变动减弱 齿圈转动时 这两种状态就交替改变 根 据法拉第定律 f a r a d a y sl a w 这种磁变动的改变将会在线圈中产生感生交流 电压 且频率取决于转速 霍尔式传感器具有霍尔电压不受转速影响 反应快等优点 磁电式转速传 感器的测量滞后及盲区的存在 在车速较低时 即起步时无法获得准确的车速 信号 磁电式传感器传感线圈的输出电压和频率都随转速的变化而变化 信号 的调理不如霍尔式传感器方便 因此发动机转速 变速箱输入轴转速信号 车 速均选用霍尔式转速传感器来测量 314 3 开关量与数字量传感器的确定 对于a m l 系统中的开关量 选档手柄位置 手动 自动选择开关选用接触式 开关 刹车信号 倒车信号取自汽车尾灯 点火开关信号取自汽车点火开关 a m t 系统中的选档位置 换档位置 离合器行程的检测采用数字量传感器 选 换位置用安装在选 换档步进电机转轴上的数字式绝对角位置编码器 进行测量 通过绝对角位置编码器对步进电机旋转的角度的测量反映选 换档 的位置 角位置磁编码器用金属压片固定到电机上 磁编码器外壳上设计了压 片槽 磁编码器的轴与电机转子轴用柔性联轴节连接 其主要特点 原理以及 技术参数如下所述 1 主要特点 a 非接触式3 6 0 度 高分辨率编码 b 绝对角位置输出模式 每3 6 0 度 提供l o 位分辨率的1 0 2 4 个绝对位置信 号 步长为0 3 5 度 c 用于磁钢位置监控的故障检测模式 i 供电电压 5 v 1o e 宽温度范围 4 0 c 到 1 2 5 c 绝对角位置的采样频率为l o k h z 0 1 m s 允许0 1 秒 9 7 6 h z i o h z 内读 取全部1 0 2 4 个位置 3 6 0 0 并且没有任何位置遗漏 1o h z 乘以6 0 得到相应的 最大转速为6 0 0 转 分 因此 提高旋转速度将减小每转绝对角位置的数量 不 考虑旋转速度或读取的位置数量 绝对角度值通常以最高的10 位分辨率给出 离合器执行结构采用了改造的自动离合器 e a s yc l u t c h 其内部集成了对 离合器行程检测的数字编码装置 数字编码装置是一个6 阶段8 位位置编码开 关 每一阶段对应一可设置的8 位编码 3 2 下位机中数据采集部分相关硬件 本方案数据采集分析系统下位机e c u 由1 6 位的m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机和各种 外围电路组成 与数据采集部分相关的外围电路包括模拟量 开关量和频率量 的检测电路 通信电路以及电源电路 32 16 位的m 0 9 s 12 0 3 2 单片机 m o t o r o l a 公司生产的1 6 位m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机是下位机的核心 其出 色的性能为同时完成自动换档控制和数据采集任务提供了强有力的支持 m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机有以下主要的特点 1 拥有一个功能很强的t i m 模块 定时器模块 内含1 6 位计数器 8 个独 立通道 每一通道都具有i n p u tc a p t u r e o u t p u tc o m p a r e 输入捕捉 输出比较 功能 可高效处理多路时间事件 能满足车辆传动控制系统中多路转速信号采 集的要求 2 捌有一个6 路8 位或3 路1 6 位的p w m 脉宽调制 模块能满足多路电机驱 动信号的输出要求 3 1 6 位h c s l 2 c p u 处理器 最高可达2 5 m h z 总线时钟 使得计算和处理 能力卓越 4 8 路1 0 位分辨率的a t d 模 数转换 模块保证了多路模拟信号的转换和 精度要求 一个s c i 异步串行通信接口 可以实现与上位机的通信 还拥有 一个在车辆电控系统中广泛应用的c a n 总线通讯接口可以实现与其他电控系统 的通讯 5 其他可用资源 2 k b 的内部r a m 3 2 k b 的内部f l a s h 2 个8 位双向数字 i o 口以及一个s p i 同步串行通信接口 等 m c 9 s 1 2 c 3 2 所示 l l l l l l 赣鞴淤琵 p 襄腓墓 s o 卜i 一i 芷l 耳卜p m 亡堡巨雌篓 h 一l h m 图3 2m c 9 s 1 2 c 3 2 单片机内部结构框图 3 2 2 模拟量检测电路 m c 9 s 1 2 c 3 2 自带8 通道1 0 位a d 转换模块 a t d 模拟信号从模拟输入管 脚引入多路转换器 由1 0 位a d 转换器进行采样和量化 将结果存入转换结果 寄存器 a d 转换器的工作电源为 5 v 直流电源 采样信号的量化由电源电路提 供的 5 v 电压基准作为参考电压 模拟输入信号的电压范围为o 一5 v 直流 模拟信号经过电缆引入控制系统后 在传输过程中容易受到干扰 在引入 a d 转换模块的模拟输入管脚之前 应当进行滤波 钳位等相应的处理 如图 卜3 v d d a 用于给传感器供电 传感器输出信号先经过一个稳压二极管进行钳 位再经兀型滤波电路进行滤波处理后送入单片机模 数转换模块 图3 3 模拟信号调理电路 3 2 3 开关量 数字量检测电路 系统数字量中选 换档位置信号由单片机通过绝对角位置编码器的输出口 直接读取 离合器行程位置编码和所有的开关量信号不是标准的t t l 或c o m o s 电平信 号 要通过电平调整经总线驱动器驱动后与数据总线直接楣连 相应的电路如 图3 4 所示 砸班四娅哆 图3 4 开关莓 数字量调理电路 3 2 4 频率量 脉冲量 检测电路 m c 9 s 1 2 c 3 2 的t i m 模块每一通道都具有输入捕捉 输出比较功能 利用其 输入捕捉功能可以测量出脉冲量的周期或宽度 由此计算出转速 车辆a m t 系统中总共需要三路转速信号 发动机转速信号 变速箱输入轴 转速信号和变速箱输出轴转速 车速 信号 用的都是霍尔式转速传感器 由于所选用的传感器的输出脉冲电压信号高于单片机的所能接受的 5 v 脉 挣信号且存在干扰 通过谖整转换为 s v 脉冲信号 并用施密特触发器7 4 f t 4 进行整形 调理电路如图3 5 所示 32 5 通信电路 图3 5 脉冲量调理电路 下位机与上位机通过r s 一2 3 2 进行串行通讯 传递数据 m c 9 s 1 2 c 3 2 串行 通信具有一个两个串行通信接口 s p l s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外部设 备同步通信接口和s c i s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 串行通信接1 3 其中 s c i 是全双工通用异步接收器和发送器 s c i 有两个引脚t x d 和r x d 其中t x d 用于发送数据 而r x d 用于接收数据 由于m c 9 s 1 2 c 3 2 中采用的是与t t l 电平 相兼容的c o m o s 电平 而r s 一2 3 2 标准采用的是负逻辑电平 其中逻辑 l 电 平 一3 v 一一15 v 逻辑 0电平 3 v 一 1 5 v 因此必须进行电平和逻辑的转换 下位机以m a x i m 2 3 2 芯片为核心的接口电路完成此项工作 如图3 6 所示 3 2 6 电源电路 图3 6r s 一2 3 2 接口电路 汽车蓄电池提供的是2 4 v 且有可能引起波动 单片机主板以及信号调理 电路需要5 v 的电压供电 因此需要电压转换模块对车载电源进行处理 系统采 用d c d c 转换芯片l m 2 5 7 6 作为核一f i 进行电压转换 电路如图3 7 所示 3 3 上位机硬件 图3 7 电源电路 上位机不但要与下位机 e c u 进行异步串行通信 实时接收各信号的采样 值 同时要对数据进行处理 图形化显示与存储 并对存储数据做事后分析 因此对性能与功能有较高要求 我们选择了韩国三星笔记本电脑作为采集分析系统的上位机 它具有体积 小 功能全 运行速度快 存储空间大 抗干扰能力强等特点 能够满足试验 条件与性能方面要求 笔记本电脑的主要配置如下 1 2 3 4 p 4 系列c p u 主频为2 o g h z 2 5 6 m 内存空间 4 0 g 硬盘存储空间 1 5 寸液晶显示屏 外围设备接口齐全 其中有两个可用异步串行通信接口c o m l c o m 2 等 安装有w i n d o w sx p 视窗操作系统 以及相应应用软件 33 1 串行接口 完成上位机p c 与下位机的异步串行通信 上位p c 机有两个r s 一2 3 2 串行接 口 作为系统基本串口的c o m l 口和作为第二串口的c o m 2 口 它们的引脚输出 完全相同 串口信号在外连接器 d b 9 上排列一致 p c 的串行口是按照数据终端设备d t e 定义的 要实现单片机与p c 通过串 行口通信要用一根电缆连接单片机的s c i 口和p c 的s c i 口即c o m 口 p c 机端 是按照d t e 定义的 单片机一端必须按照d c e 数据通信设备 定义 两者才 能相连 如果都按d t e 定义 则电缆两端的发送 接收要交叉一下才行 r s 一2 3 2 标准主要是d t e 和d c e 之间的连接定义 内容包括接口的电气特性 机械特性等等 r s 一2 3 2 的插头分为d t e 端和d c e 端 传统的r s 一2 3 2 接口标准 有2 2 根线 采用标准2 5 芯d 型插头座 后来的p c 上使用简化了的9 芯d 型插 座 在单片机的应用中2 5 芯插头座已经很少采用 9 芯d 型插头 座的r s 一2 3 2 串行标准接口信号的定义见表3 1 表3 19 芯d 型插头 座的r s 一2 3 2 串行标准接口信号的定义 简写 d 下ed c e 信号 信号功能 符号 公 母 方向解释 t x d32d t e 一d c e 发送数据t r a n s m itd a t a r x d23d c e d t e接收数据r e c e i v ed a t a r t s78d t e d c e 请求发送r e q u i r et os e n d c t s87d c e d t e清除请求c l e a rt os e n d d s r64d c e d t e数据装置就绪d a t as e tr e a d y g n d55g n d 信号地g r o u n d d c d 11 i n 接收信号检测d a t ac a r r yd e t e c t e d d f l 46d t e d c e 数据终端准备好d a t at e r m i n a lr e a d y r i 9 9i n 振铃指示 精简的r s 一2 3 2 通信仅使用3 根线 r x d t x d 和g n d 不使用硬件握手信号 通过软件协议完成 p c 机上的串行口c o m 口外形 引脚编号 如图3 12 所 与单片机通信接口的电路的连接 t x d 对应单片机的接收端 r x d 对应单片机 发送端 g n d 剥 应单片机接地端 图3 8c o m 口及其引脚编号 3 4 数据采集与分析系统硬件组成 由以上的论述 整个数据采集与分析系统的硬件组成机构如图3 9 所示 发动机转速传感器i 斗 1 自动 手动开关 选 传感器 档 位 置 传 输入轴转速传感器l 2 4 5 v l 感 器 车速传感器i 斗 信 箜 苇 号 记 调 卜 m c 9 s 1 2 c 3 2 及外围电路 m a x 2 3 2 本 理 叫 电 离合器行程传感器i 斗 电 脑 路 f 刹车信号 换 选档手柄传感器l 档 位 置 传 点火开关信号l 叫 倒车信号 感 器 图3 9 数据采集与分析系统的硬件组成 1 9 第四章下位机软件设计 下位机m c 9 s 1 2 c 3 2 端软件用