【毕业学位论文】轮胎动态试验台在线测控系统的研制-通信与信息系统

分类号 单位代码 10183 硕士学位论文吉林大学作者刘洪业作者刘洪业密级 内 部 研究生学号 990402 内部吉林大学 硕士学位论文 题 目 轮胎动态试验台在线测控系统的研制 题目轮胎动态试验台在线测控系统的研制作者姓名张雷 专 业通信与信息系统 导师姓名及职称 赵继印 副教授 2000年10月至2002年2月 提 要 轮胎的动态特性是关系到汽车研究和轮胎生产的极其重要的特性轮胎动态特性的研究已逐步从稳态特性的研究发展到非稳态特性的研究而且轮胎非稳态特性的研究比稳态特性的研究更具有理论价值和实际价值因此研制出具有现代先进水平的轮胎动态试验系统对我国的轮胎研究和汽车工业的发展具有重要意义 针对轮胎动态试验系统对动态参量检测所提出的高测量精度高稳定性和实时性的要求本文选择具有代表性的纵向加载力滑台位移速度和滑台侧偏作为研究对象在对各个硬件环节进行了深入探讨的基础上研制出了具有高信噪比和检测精度的动态参量检测系统并为配合硬件系统编制了软件程序设计了之本文设计的轮胎动态试验台动态参量检测系统具有检测精度高可靠性好实时性好等优点控制系统采用模数结合的方式能建立模拟调节器难以实现的特殊控制规律 关键词 轮胎动态试验台 单片机 在线测控技术 工业控制机 目 录 第一章 绪论 1 轮胎动态试验系统开发的意义2 胎动态试验系统的全模型实现4 轮胎动态试验台纵向加载力检测系统的设计9 离放大环节13 胎试验台模拟信号处理17 A/单片机最小系统设计22 ,与之相呼应测控技术也取得了巨大的进步特别是七十年代由于集成电路技术的提高和成本的降低出现了微型计算机使它在测量与自动控制领域发挥了越来越大的作用70年代初微计算机技术2在线检测技术(又称在线测控技术)是七十年代发展起来的一门边 4 被控现场 接口电路 被测参数 被控对象 执行机构 传感器 计算机 信号处理 在线测控系统的结构框图 轮胎动态试验系统开发的意义 轮胎特性的研究以往基本是停留在稳态特性方面对非稳态特性研究还只是刚刚起步然而汽车在行驶时实际轮胎状态总表现为非稳态轮胎稳态特性的研究为非稳态特性研究奠定了坚实的基础轮胎非稳态特性的研究比稳态特性研究更具有理论价值和实际价值已引起了各国汽车工作者的高度重视国际上与轮胎有关的主要研究单位与学者已将非稳态轮胎特性研究作为当今轮胎特性研究的主攻方向大力着手于非稳态特性的研究工作 汽车在行驶过程中除空气动力外几乎所有外力都是通过轮胎与路面接 触并发生相互作用而产生的并且影响车辆运动状态和性能汽车(亦包括装有充气轮胎的摩托车飞机和其它车辆)的许多重要性能都与轮胎的力学特性有关轮胎力学特性的表达精度是影响这些汽车动力学特性分析精度的关键因素汽车行驶运动学与动力学的研究在很大程度上依赖于轮胎力学的研究随着现代先进技术的应用和科学技术的发展汽车的结构在不断地改进与革新先进的10 同样,轮胎动态特性是轮胎非稳态特性研究的重要手段,轮胎非稳态特性研究的深入与展开在很大程度上与轮胎动态试验相关因此,利用现代先进科学及技术和先进的科技产品,尽快研制开发出具有现代先进水平的多功能高精度性能好自动化程度高的轮胎实验系统迫在眉睫,轮胎动态特性研究的需要,尤其是建立轮胎动态模型的需要; 轮胎高速特性研究的需要; 建立轮胎特性数据库的需要; 轮胎综合性能测定与评价的需要; 轮胎设计,改进及生产的需要; 深入研究轮胎力学特性,开拓轮胎力学研究新领域的需要; 汽车操纵性,动力性,平顺性,制动性,通过性等研究对轮胎多种动态特性的需要; 胎动态试验系统的全模型实现 轮胎动态试验系统由机械液压信息检测和控制系统组成是集机械液压电子和计算机于一体的动态仿真设备1113系统总体框图如图所示 胎动态试验系统总功能框图 示,上位微机采用工业控制计算机进行管理具有运算速度快软硬件资源丰富操作方便等优点下微机采用0光隔 轮胎动态模拟系统轮胎垂直加载控制器 滑台纵向运动控制器 滑台测倾角控制器 轮胎制动力控制器 轮胎加载力控制器 轮胎测偏角控制器 并行I/O 业控制机 A/行模拟信号 胎动态试验台系统功能框图 轮胎动态试验台测量传感系统包括获取六分力的各种传感器,获取各部分转角和位移量的各种传感器主要包括101 试验台上臂力下臂力横拉杆拉压力的测量 2 靠近轮胎的三分力的测量 3 垂直加载力纵向加载力的测量 4 滑台转角位移信号的测量 5 滑台纵向位移信号的测量 6 滑台侧倾角信号的测量 7 车轮垂直位移信号的测量 8 车轮转速传感器信号的测量 9 行程限位传感器的车辆 轮胎动态试验系统控制方式有手动和自动两种独立方式计算机控制系统包括101 轮胎往复运动控制 2 轮胎垂直加载控制 3 轮胎测偏角控制 4 轮胎测倾角控制 5 轮胎制动力控制 6 各开关量的控制总控制开关垂直加载卸载开关滑台左右移 开关滑台左右转开关滑台左右倾开关 前根据噪声的来源及性质来决定抑制噪声的方法一种是设计硬件滤波器通过设计合适的通带和阻带来把噪声最大限度地抑制掉但是单纯依靠这种硬件滤波器无法抑制与信号频率相近的噪声为此人们一直努力解决这个问题随着计算机技术的发展人们可以通过软件的手段来解决这个问题采用随机信号处理技术开发了多种抑制噪声的数字滤波算法大大提高了检测信号的信噪比从而保证了检测精度21从在线测控技术的发展情况来看提高测量精度动态误差在线补偿实时控制等是在线测控技术的发展趋势这就对信息处理算法在实时性准确性收敛性收敛速度以及算法的可实现性等方面提出了更高的要求 文的主要研究内容 本文详细介绍了轮胎动态试验台的组成及各部分实现及技术关键 1绪论介绍了目前轮胎动态试验台的系统组成本文的课题研究意义及 系统总体框图同时简要介绍了轮胎动态试验台的一些相关知识 2轮胎动态试验台检测系统设计, 详细介绍了系统的硬件组成及相应接口技术考虑力图使系统的抗干扰能力强稳定性好实时性和准确性高 3轮胎动态试验台控制系统设计系统的逻辑结构采用集散式控制方案来实现集中控制和降低分散危险性,物理结构采用板卡式结构以提高系统的强壮性,可靠性与维修 4数据处理及系统抗干扰技术研究 提出两种提高数据准确性的数字滤波算法对测控系统的抗干扰技术进行了系统研究并对如何提高软件系统本身的可靠性进行了讨论 5实验与结论 对系统的硬件及软件系统进行了一系列实验通过实验验证了系统设计的合理性和先进性 第二章 轮胎动态试验台信号检测系统 轮胎动态试验台测量传感系统包括获取六分力的各种传感器,0图2胎动态试验台传感测量机构原理示意图 量系统原理图 转角传感器 本章包括:各种力学参量的测量系统;各种转角测量系统;位移测量系统;位置测量系统的部分传感器,信号前置放大器,信号隔离放大器及信号采集单元的设计模拟信号采用隔离放大器数字信号单元采用隔离单元来保证系统的可靠性和抗干扰能力系统总体要求通带内信号增益纹波小信号检测延迟时间小信号频带宽度不小于2胎动态试验台力学参量系统上臂力下臂力横拉杆拉压力,靠近轮胎的三分力,垂直加载力纵向加载力 胎上固定制动鼓在制动鼓上缠绕钢丝绳通过滑轮和支架由重块 载实现对轮胎纵向力加载当滑台向左运动时相当于给轮胎施加驱动力当滑台向右运动是相当于给轮胎施加制动力钢丝绳与重物连接处设有力传感器当重物的重量与设定值相等时计算机控制电磁阀关闭卸重开关100力学参量测量技术指标 力学参量名称 测力范围 非线性度 ( 重复误差 ( 测量误差( 纵向加载力 20000N 纵向加载力的测量的技术要求 (1) 纵向加载力测量范围 02) 在纵向加载力测量系统中为保证测量精度传感器采用以色列生产的拉压力传感器81. 测量范围 0. 从上面的传感器可以看出所选用的传感器完全能够满足系统所提出的技术指标 考虑到纵向加载力的测量不但是为了分析和计算轮胎的力学特性同时还应该输出至控制系统因此属于既测量又控制用信号考虑到轮胎动态试验台是机械电子液压一体化设备现场具有强干扰强噪声的特 换 工控机 单片机 控制器 10学参量测量技术指标 力学参量名称 测力范围 非线性度 ( 重复误差 ( 测量误差( 下拉压力 +20000N 1% 下横弯力 +12000N 1% 下 臂 力 下竖弯力 +12000N 1% 根据所规定的技术指标本文对下臂力测量采用自行研制的力传感器传感器本体材料使用507181测量范围 拉压力 +20平弯力 +12 垂直弯力 +12传感器重复误差 +3传感器回零误差 +从上面的传感器的选择可以看出所选用的传感器完全能够满足系统所提出的技术指标 考虑到下臂力的测量是为分析和计算轮胎印迹与路面之间的三个方向的力和三个方向的力矩六分力属于纯测量用信号本系统采用将力传感器输出信号经过隔离处理后输出至工业控制计算机采集和处理的测量方案由于采用高性能的工业控制计算机和高性数据采集作为测量系统的核心不但提高了实时性也为以后的数据处理提供了丰富的软件资源和足够的数据量 于上面所提到的传感器所感受到的应变只能引起电阻的变化还不 信号隔离单元 应变片电桥 信号放大单元 机械变形 工 控 机 A/D 接口 验台下臂力测量技术方案 能直接产生电信号因此必须外加电源和信号处理电路才能将电阻的变化转换成电信号然后根据测得的电信号求出力的大小 单臂直流电桥 根据基尔霍夫定律可以求得流过负载的电流为 )()()()(2143432143213241+= (电桥的输出电压为 )()(1)()(2143432143213241+= (若电桥的负载电阻为无限大且在实际应用中采用等臂电桥当只有一个桥臂电阻发生变化时其输出电压为 )(4 U (由于传感器的输出信号比较微弱而且其中还包含工频静电和电磁耦合等共模干扰必须经过放大处理才能供给后续电路为了保证电桥的线性度要求负载电阻31 具有良好的噪声特性在1z 2 功能完善芯片内提供1 100 200 500 1000倍的引脚可设增益其他增益可通过一个外接电阻实现 3 所有预增益设置均保证失调电压失调电压漂移增益精度和增益温度系数 4 具有完全独立的输入和输出失调调零端从而减少了增益调整过程中的失调电压影响 5 带有一个检测端使用户能够减少长引线导致的误差还有一个参考端以便调整输出电平偏移 本系统中直流电桥输出信号为0202 隔离放大环节 隔离是指使用变压器光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号避免直接的电流或物理连接因为数据采集系统所监测的设备可能会有高压瞬变现象可能损坏计算机同时传输线路上也可能会有高压干扰信号串入计算机系统也会损坏计算机系统将传感器信号与计算机系统隔离开来切断了前后两部分电路电气上的直接联系还可以避免强电击穿造成的大面积损坏使系统安全性和可靠性得到保证 要实现模拟信号的隔离比较复杂专门制造的光隔离器也可以隔离模拟信号但其成本很高因为在一定的精度范围内光隔离器件的输入电流与输出电流之间的线性关系很难保证因此低成本的隔离方法都是将输入信号调制成易于隔离的高频信号或转化成数字信号经过隔离再以适当的方式恢复后输送出去 实现模拟信号隔离而且成本低的方法主要有以下四种231. 采用隔离放大器这种方法比较适用于将输入信号与系统隔离开来 2. 采用脉宽调制技术经过光隔和阻容滤波实现信号的隔离 3. 采用V/等器件 4. 采用A/等器件 本文采用隔离放大器来进行信号隔离用7 由原理框图可以看出7 感器信号放大及隔离环节电路图 为方便测量420压变换电路本系统中应将42003 42010能实现42001=取10( +=)51(250)204( =要则应有 取51()1()0 =f+10( +可得 取= 51= 552. 5别调节=+1551=+ =使f=00胎试验台模拟信号处理信号处理电路是指为了使整个电路系统电气联系相互匹配信号稳定可靠而设计的系统协调处理电路它包括的内容非常广泛如信号放大整形滤波电路缓冲器在本系统中用到的信号处理电路主要有以下几种 1信号调整电路 从隔离放大器 号调整电路 (2) 有源低通滤波器 测量系统的传感器信号由于测量现场的电磁干扰传感器本身以及放大处理电路等本身的影响往往含有多种频率干扰成份的噪声信号严重情况下这种噪声信号会淹没待提取的输入信号造成系统无法获取被测信号在这种情况下需采取滤波措施将不需要的杂散信号抑制掉使系统的信噪比于本系统的隔离放大器带宽为0源低通滤波器 ,电压跟随缓冲器 隔离放大器4) 单电路 极/双极信号选择由于隔离放大器0010性/双极性信号选择电路 时还完成了信号匹配环节的功能 (5)模拟信号传输系统总体框图 1K 10K 10K 它利用运放构成的加法器和选择开关巧妙的解决了单极性/双极性信号选择问题使系统既适合于单极性信号又适合于双极性信号同 单10V 差动 10K 10K 05V 10K 100 10V 581 传感器信号经过隔离放大器缓冲器后同时经单极性/双极性信号选择电路压变换电路其特点如下 拟信号处理板总体框图 1电 路 电压跟号选择电路 低通滤波随 光隔 单/双极性信信号调理 系统的稳定性可靠性高本系统具有两个互隔离的相地 各地之互不干扰间 2 系统的抗干扰能力强相互隔离的地以及有源低通滤波器的加入等均使系统的抗干扰能力大为增强 3 系统使用灵活方便输入的传感器信号幅度范围宽且即可单性又可为双极性信号为极可作为通用的模拟信号传输系统 4 系统的线性度高者为+5 易于维护,之本系统为一种通用的高性能的模拟信号处理系统 2. 3 单片机数据采集系统设计 由于单片微型计算机具有结构简单可靠性高处理速度快和功能强等优点在线测控技术中得到了广泛应用本文采用 D/ A/据纵向加载力测量系统技术指标和测量精度的要求本文采用转换器转换芯片503 片机与图可见S R/C 12/8 同时满足时才能处于工作状态当=0时启动A/=1时进行数据读出12/8和时启动转换则按完整的12位A/时启动转换则按8位A/和 中扩展组件所以对其8031 单片机最小系统设计 根据力测量系统的需要在单片机最小系统中采用一片扩展了作为的外部程序存贮器27648031 ,程序存贮器的片选端直接接地8031 程序存贮器的输出允许端与程序存贮器选通端相连以保证正确的读出时序采用一片扩展作为外部数据存贮器内部的编程与单片机的外部用法相同因带有后备电池故对有掉电保护作用对于数据存储器跑飞后复位不会出现数据丢失现象芯片是美国公司研制的实时日历时钟芯片可以和各种直接接口内部存储地址分布如图其主要特点41有完备的日时钟闹钟及百年日历功能 可编程的周期性中断及方波发生器输出 低功耗带电保护的114字节的用户芯片是可以带后备电池的低功耗高速031单片机与 址选通相连向总线 直接相连12887的片选线由138译码器相连8031的复位线通过7400反向驱动送12887的复位端8031的读写线通过245驱动送到28031与12887接口电路图 数据选通或读R/控制 采用三片8255扩展外部并行I/片地址由表22扩展芯片地址分布表 序号 扩展芯片名称 地址空间 000H, 255 1 2000H2003H 255 2 4000H4003255 3 6000H6003H 764 0000H1000H000H 8001H 000H D/据测量系统的技术指标和控制精度的要求本文采用12位D/ 分辨率12位 2 输出电流稳定时间13 参考电压10V+10V 4 单工作电源+5V5 低功耗208031单片及和3锁存因转换器去转换单缓冲方式在这里是不合适的在12位数据不是一次送入的情况下边传送边转换会使输出产生错误的瞬间毛刺图中压转换器运放2实现双极性电压输出10调电位器胎试验台系统运动量的测量 轮胎动态试验台运动量系统的测量包括滑台纵向运动位移滑台转动转角测量滑台绕水平轴的侧倾转角测量轮胎转速轮胎垂直位移量测量 1) 滑台纵向运动位移量速度量的测量技术指标10s 信 号 处 理电路 隔离及接口电路 单片机 处理器 控制器 位移 速度 工控机 短尺传感器 m 滑台纵向位移速度测量技术方案 (2)号经过切换后还应当加减设定值来切换零点甲尺减乙尺加这样就完成了两尺叠加位移信号的输出速度信号处理与此大致相当不过继电器的控制应用位移信号控制 滑台位移速度测量的隔离放大单元和单片机数据采集系统均如上几节所述 1) 滑台转动转角测量系统技术指标10转台转角范围为+ /s 滑台转动转角测量系统技术方案转台转角测量采用脉冲数位16384的增量式光电编码器(技术方案如图所示 角位移 角速度 控制器 工控机 单片处理器 数字隔离 接口电路 增量式光电编码器 转台 光电编码器 台转动转角测量系统技术方案 数字信号系统的研制相对于模拟信号系统的研制来说要简单对于本系 统而言由于对可靠性稳定性和抗干扰性能力要求比较高所以比一般的数字信号线路复杂 为了提高系统的稳定性和可靠性需要加上隔离放大环节我们采用光电隔离器作为本系统的隔离放大环节使得输入信号和输出信号之间完全隔离可以消除输入回路中的噪声信号共地杂波等对输出回路的信号干扰 对于光电编码器通常有如下几种测量方法431计数法 在设定的定时时间通过对时钟脉冲计数测出相邻盘信号的时间间隔时钟脉冲可从单片机时钟或经分频后获得(3)测周期在被测周期内对某一标准时间进行计数基准时间与计数的得乘积便是周期2光电编码器与单片机接口电路 增法等由于本系统转速较慢可以采用测周期法电路如图所示 分频送片机数据采集系统与上几节基本一致但无需A/接口分别送转角和转速 个测控系统应由两部分组成硬件系统和软件系统硬件系统是整个测控成系统的功能的所以硬件系统可看成是物质基础而软件系统则可看成是上层建筑两者相辅相成构成了一个有机的测控系统整体本节在上一节介绍的硬件系统的基础上设计和研制了相应的软件 单片机数据采集软件设计 系统的物理基础而软件系统则是测控系统中控制各部分硬件协调工作以完量系统中采用始化断 设置采样点数 由前可知在纵向加载力测8031单片机构成数据采集系统其A/3 开始 启动A/样结束 数据处理N Y 位机与单片机控制器通信接口设计 在轮胎动态试验系统中要求能够通过上位机预先指定各参量的大小控制器则必须按照给定值进行控制这就需要上位微机系统与控制器之间进行数据通信由于下位控制器的核心是工控机系统中利用异步通信适配器可实现异步串行通信该适配器以250通信芯片为核心配以可进行电平转换的发送器和接收器电路及一些控制逻辑电路将其做成接口卡的形式其端口地址范围为37工控机与2收器使电路复杂性均大为降低这就是. 收器采用单一5707由图可见由上位机与单片机控制器通信接口 2. 常规的计算机与单片机之间的串行通信程序中计算机通信程序用汇编语言编写不但编程复杂而且可读性差不易实现结构化程序设计而且由于它直接与计算机硬件打交道程序可移植性差此外由于计算机完成其它功能的软件程序均用来完成对编译器) 端口上执行各种32通信其中 设置通信参数为 按字节发送字符到通信线上 2 从通信线上接收一个字符 3 返回通信端口的当前状态 参数7个数据位 08个数据位 01个停止位 02个停止位 0无奇偶校验 0 0 偶校验 0110波特 0150波特 0350波特 0600波特 01200波特 01200波特 09800波特 09600波特 例如给定此可以看出只要正确地使用)便可完成计算机的异步串行通信 方式1和方式3中其波特率由定时器特率2中时器 显然定时器数器由8N 12时钟周期28N 12 1/ 时器2/ 28N 这样 波特率22/(12 28N ) 在实际应用中往往是给定通信波特率而后去定时间常数由上式可得 特率32 12 在本系统中故时间常数 16 106/ 2400 32 12 信程序设计的关键便是通信双方必须在