汽车机械式自动变速器数据采集与分析系统研究

作者：合肥工业大学 薛大为

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 摘要：数据采集与分析系统对AMT系统的开发有重要意义。本文介绍了基于串行通信与虚拟仪器技术的汽车AMT数据采集与分析系统，阐述了系统的工作原理以及软、硬件的设计。 关键字：AMT 数据采集 串行通信 虚拟仪器 0.引言 AMT( Automated Mechanical Transmission) 即机械式自动变速器，是在原有的机械变速器离合器结构不变的情况下，通过加装微机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、摘档与悬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AT 自动变速的优点又保留来原手动变速器MT齿轮传动效率高成本低结构简单容易制造的长处。系统的基本控制原如图1所示。 AMT系统是一个复杂的多输入多输出控制系统、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。自动换档操纵系统对于多个设计方案的选择，传感器、执行机构等硬件的确 定，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 系统对不同驾驶员、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。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。这些工作的完成对人来说是很费时的，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。由于随车数据采集及分析系统对开发AMT具有重要意义，出于研究、设计AMT的需要我们开发了这样一个系统。 1.系统的组成 数据采集系统可以有两种实现方式：一种是基于数据采集卡的单上位机方式，一种是基于AMT电控单元ECU作为下位机PC机作为上位机的方式。由于数据采集系统的信号同时也是AMT的电控制单元ECU所要用的，为了系统结构简单，采集系统下位机与AMT的控制系统可共用部分硬件并在此基础上增加串行通讯接口电路。由于PC机具有强大的功能和丰富的软件，因此我们选择装有WINDOWS XP操作系统的普通便携式PC机作为上位机。下位机负责完成数据的采集和转换并将数据通过串口传给上位机，上位机负责把接收到的数据进行分类、存储以及分析把研究人员所关心的数据显示出来。 2. 系统的硬件设计 系统的硬件主要有以下几个部分：传感器，信号调理电路，下位机（ECU），串行通讯接口电路，电源电路，上位机（PC），以及一些必要的外围电路，结构框图如图2所示。 2.1 传感器的选择及信号调理电路的设计 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工作产生重要影响。由于数据采集系统的信号也是AMT电控单元ECU所用的，所以传感器的选择要兼顾AMT控制系统和数据采集系统的要求，综合考虑。 AMT系统是一个多信号输入系统按信号的类型可大致分为：模拟量，开关量，频率量，相应的传感器也就分为模拟量传感器，开关量传感器，频率量传感器。 模拟量包括加速踏板位移、选换档位置、油门开度、离合器位移，选用旋转电位器；开关量包括起步、倒档选择、制动踏板信号，选用普通按钮；频率量包括发动机转速、输入轴转速、输出轴转速（车速）选用霍尔式传感器。 由传感器输出的信号并不能为电控系统ECU直接利用必须要经过相应的处理。对于不同的信号其处理电路也是不同的。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、放大和限幅使之在ECU的模数转换模块能够处理的幅值范围之内。开关信号通过光电隔离后与ECU数据总线相连。频率信号要经过滤波、钳位、放大和整形使之成为单片机能够处理的脉冲信号。 2．2下位机的选择及通讯接口的设计 下位机是数据采集的核心部分，其不但要完成自动换档的相应控制还要完成数据采集的任务，它的选择关系到整个AMT控制系统的优劣。我们选用MOTOROLA公司生产的16位MC68HC912BC32单片机，它具有1000字节的RAM，768字节的EEPROM，32000字节的FLASH ，以及定时器TIM模块、模数转换ATD模块、串行接口SCI与SPI模块、脉冲宽度调制PWM模块以及在车辆电控系统中广泛应用的CAN总线通讯接口等，其出色的性能为同时完成自动换档控制和随车数据采集任务提供了强有力的支持。 下位机MC68HC912BC32与上位机PC都带有串行接口，它们之间的通讯就是通过串行口完成的。但是MC68HC912BC32的SCI口是CMOS电平，而PC机的串口是按照RS-232标准设计的，RS-232标准电平是负逻辑电平即“-3——-15V”为“1”，“+3——+15V” 为“0”，两者的电平不兼容，系统选用MAX232作为接口芯片，连接电路如图3所示。 2.3电源电路 汽车上的电源是+24V，单片机电源要+5V，系统采用DC/DC转化电路将车上的+24V转化为+5V，同时将数据采集系统的地与车上电源的地进行隔离避免了相互干扰，保证采集系统的可靠性。 3.系统的软件设计 硬件是系统的基础，而软件是系统的灵魂。数据采集系统的软件主要包括两部分：一部分是下位机的数据采集和数据发送软件，用MOTOROLA单片机汇编语言编写，一部分是上位机的数据接收、数据分析处理以及监测软件用虚拟仪器的开发平台LABVIEW编写。 3.1下位机软件的设计 由于下位机在运行采集和数据发送程序的同时，还要运行自动换档的主控程序，因此为了使系统协调、高效工作，程序以中断方式为主。 3.1.1数据组成 数据的异步串行传输以字节为单位，加一位起始位、一位停止位，无奇偶校验位，组成一帧。多个字节组成数据块，连续的数据块组成数据流，数据块之间以同步字节分隔，上位机就是利用同步字节来定位数据帧的起始位置。系统中的模拟量在A/D转换时是10位精度，频率信号的采集用脉冲累加器为8位，开关量的采集用I/O口为8位。系统所有信号均10ms采样一次。把10ms内采集的数据打包成为一个数据帧。每帧数据由1个同步字节，16个数据字节共17个字节组成，这就要求1s内发送1700个字节，加上串行传输的一位起始位，一位停止位，即17000位/秒。因此采用串行通信的19200的波特率能够满足要求。 3.1.2数据采集软件设计 各信号的采集由软件定时器完成，每隔一定时间间隔产生一个中断，利用这个软件中断启动输入信号的采样、转换和读取，并将需要发送数据块的首字节送入串口发送寄存器，从而启动串口中断服务程序。软件定时器中断服务程序如图4所示。 3.1.3串行数据中断发送程序设计 单片机向串口发送缓冲寄存器写入所要发送的字节后，相关的串口硬件电路就自动地进行字节的并串转换，向外发送数据，发送完毕后单片机会产生一个串口发送中断，将下一个要发送的字节送入串口发送缓冲寄存器。程序如图5所示。 3.2上位机软件的设计 上位机软件包括进行数据传输的通信模块；数据的转换与显示模块；数据的自动存储模块；数据分析模块。采用虚拟仪器技术的开发平台LABVIEW编写。 3.2.1虚拟仪器与LABVIEW简介 虚拟仪器（Virtual Instruments，简称VI）是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，在虚拟仪器中计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，它的广泛应用是测试仪器技术的一次革命，是仪器领域的一个新里程碑。虚拟仪器以“软件就是仪器”为思想与传统仪器相比具有更好的灵活性、适应性。基本硬件确定以后，仅需改变软件就可以实现不同的功能，满足不同场合的要求。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。 LABVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）由美国NI公司提供的虚拟仪器的开发平台，它提供了一种全新的程序编写方法即G语言（graphic language）取代传统的文本式编程语言，使编程的效率大大提高。它还具有强大的数据分析、处理、存储、显示函数库。另外，LABVIEW 还提供了功能强大的VISA库，VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是用于仪器编程的标准I/O函数库及相关规范的总称。VISA库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的软件层连接，是一个高层的API（应用程序接口），通过调用低层的驱动程序来控制仪器。NI-VISA的层次结构如图6所示。 3.2.2通信模块的设计 通信模块包括对串口的配置和读串口数据。通过调用VISA库中的串行通信结点来实现对串口的配置，必须与下位机设置的通信协议保持一致。 VISA Configure Serial Port结点，用于完成对串口的初始化，主要参数设置如下： VISA resource name ：串口资源名，可以选择COM1或COM2口； baud rate：波特率，为19200； data bit：一帧中的数据位数，为8位； parity：奇偶校验位，设置为none； stop bit：停止位，为1。 VISA read结点，用于对串行数据的读取，由于LABVIEW只能对字符进行读取，因此在对数据的读取后要调用“String To Byte Array”结点才能实现字符串与数字之间的正确转换。以同步字节为基准把数据块从数据流中分离出来，把数据帧从数据块中分离出来，再从数据帧中提取有效的数据双字节的进行组合形成数据数组。 3.2.3数据转换、显示、存储模块的设计 数据转换是把由串口读入的数据进行必要的换算以得到具有实际物理意义的数据，如把A/D转换的数据还原为实际的物理量、把频率信号转化为实际的转速等。利用LABVIEW提供的数据处理函数，可以很方便的实现。把转化的数据用数据送给显示VI，用表盘（gauge）、实时图表（waveform chart）以直观形式进行实时显示。同时在后台进行数据的自动存储，把存储的数据以文件的形式保存并配以文件标识，如时间、工况等，以便于以后的查找和分析。 3.2.3数据分析模块 数据分析是对AMT系统的性能指标（如，换档过程中离合器结合与分离的时间、换档过程中的冲击度与滑摩功等）进行数据统计、监视和分析。通过分析可以评估换档过程是否合理，对改善系统性能、确定控制软件的具体参数和优化软件的控制策略提供直观、快捷、精确量化的依据。LABVIEW可以实时图表实时显示性能指标，也可以把存储的文件打开用事后图表（waveform graph）进行事后分析。 4.结束语 该数据采集及分析系统具有界面友好、易于使用、功能丰富等优点，通过大量随车试验表明该系统软硬件工作稳定可靠，满足车辆各种工况下的使用要求。为AMT系统的控制策略的改善、参数的调整、性能的不断优化提供了有利的保障。 参考文献： 1． 葛安林．车辆自动变速理论与设计．机械工业出版社． 2． 杨乐平 李海涛 杨磊．Labview 程序设计与应用．电子工业出版社．2005. 3． 杨国田 白焰.Motorola68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术.中国电力出版社.2003. 4． 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.清华大学出版社.2004. 作者简介： 薛大为，合肥工业大学电气与自动化工程学院研究生，研究方向，控制理论与控制工程.通信地址：合肥工业大学393#， E-MAIL:xuedawei_66@163.com 孔慧芳，副教授，研究方向，控制理论与控制工程、电力电子. 作者单位：合肥工业大学 地址：合肥工业大学电气与自动化工程学院393#230009 Email：xuedawei_66@163.com (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/18/2006)