陳中孝，張 文

(西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021)

1 引言

瀝青碎石同步灑(撒)布技術(shù)是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在道路養(yǎng)護(hù)施工方面推廣較快的一種施工方法。它是在同一秒時(shí)間內(nèi)同時(shí)灑(撤)布瀝青和骨料，保證粘結(jié)料與骨料之間最大的裹附強(qiáng)度，并且需要計(jì)算機(jī)全程控制瀝青灑布量、灑布精度，碎石撤布量、撤布精度，全程控制瀝青、碎石同步灑(撤)布的聯(lián)動(dòng)［1－2］。該施工方法具有施工成本低、路面耐磨性強(qiáng)、防滑性能好、防水性強(qiáng)、快速恢復(fù)交通等特點(diǎn)。同步碎石封層車(chē)是實(shí)施該技術(shù)的主要設(shè)備，是整個(gè)控制系統(tǒng)的載體。同步碎石封層車(chē)的控制系統(tǒng)龐大，各種單元模塊多，輸入、輸出信號(hào)較多，因此本系統(tǒng)采用資源豐富的STM32F1系列單片機(jī)作為控制芯片。

2 同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)是多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)，要完成瀝青泵轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)顯示、打印，溫度、速度信號(hào)采集和數(shù)據(jù)采集［5］。同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)主要包括:瀝青溫度監(jiān)控系統(tǒng)、瀝青灑布量控制系統(tǒng)、碎石撒布量控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制方案，把瀝青灑布量控制系統(tǒng)作為單獨(dú)的控制模塊，主控制器和瀝青灑布量控制器都采用STM32F103VB作為主控芯片［4］。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

在瀝青灑布量控制器中，每個(gè)單元傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是可以通過(guò)編程設(shè)置的，這是為了防止在機(jī)器使用過(guò)程中出現(xiàn)突然的設(shè)備故障而造成更大的損失?？偪刂破魍ㄟ^(guò)CAN總線可以設(shè)置瀝青灑布量控制器中傳感器的靈敏系數(shù)，以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)的靈敏性［3］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)硬件電路，如圖2所示。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)遵循分布式控制的設(shè)計(jì)方法，采用多處理器，主要包括電源模塊、主控制器模塊、瀝青灑布量控制模塊、瀝青溫度控制模塊、碎石撒布控制模塊、人機(jī)接口模塊及其他保護(hù)電路等。

圖1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)采用觸摸屏轉(zhuǎn)接板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鍵電路與LCD顯示電路作為人機(jī)交互模塊。觸摸屏控制器已經(jīng)設(shè)計(jì)了 TFT－LCD驅(qū)動(dòng)電路，故在STM32F103VBT6開(kāi)發(fā)板上把相應(yīng)引腳連接即可。

圖2 硬件原理框圖

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有多種電壓，電源電壓分為直流+3.3V，+5V，+12V，+24V 幾種。其中 +3.3V 為微控制器的I/O口供電;+12V，+5V為其他大部分芯片供電;+24V為車(chē)載電瓶電壓。電源電路主要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓和電容濾波。其中+24V電源通過(guò)LM2596－12和LM2596－5穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成+12V和+5V穩(wěn)壓電源，+3.3V電源則由穩(wěn)壓芯片AMS1117－3.3將+5V電源轉(zhuǎn)換得到。系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)圖

3.3 測(cè)速模塊硬件設(shè)計(jì)

速度檢測(cè)包括牽引車(chē)行駛速度檢測(cè)、瀝青泵實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、以及布料輥轉(zhuǎn)速檢測(cè)。速度檢測(cè)是同步碎石封層車(chē)作業(yè)質(zhì)量好壞的前提，它一方面確保能直觀顯示設(shè)備實(shí)時(shí)速度，供駕駛員隨時(shí)調(diào)整;另一方面為控制器提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，用于瀝青泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。

同步碎石封層車(chē)工作環(huán)境復(fù)雜、震動(dòng)頻繁，噪聲干擾大，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作，因而，用光耦作接口，對(duì)信號(hào)及噪聲進(jìn)行隔離。用整形元件整形，以提高脈沖質(zhì)量，圖4為測(cè)速模塊硬件電路。

3.4 測(cè)溫模塊硬件設(shè)計(jì)

常用的溫度測(cè)量傳感器有熱電偶、熱電阻。本系統(tǒng)采用熱電偶測(cè)溫，熱電偶的輸出信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理，硬件電路包括多路切換電路和熱偶信號(hào)調(diào)理專用芯片AD595。AD595是AD公司針對(duì)冷端補(bǔ)償、調(diào)零、電壓放大和線性化而專門(mén)設(shè)計(jì)的芯片，內(nèi)部具有放大、冷端補(bǔ)償、冰點(diǎn)基準(zhǔn)、溫差電偶故障報(bào)警等電路。被測(cè)溫度與AD595輸出電壓的關(guān)系是10mV/℃，芯片在5V～30V范圍內(nèi)都可正常工作。隨所測(cè)溫度量程增大，電源電壓應(yīng)相應(yīng)提高。圖5為測(cè)溫模塊硬件原理圖。

圖4 測(cè)速模塊硬件電路

圖5 測(cè)溫模塊硬件電路

3.5 PWM控制模塊硬件設(shè)計(jì)

瀝青灑布量的控制靠調(diào)節(jié)瀝青泵的轉(zhuǎn)速，瀝青泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要控制對(duì)象是電液比例閥閥芯的位移，閥芯位移量決定了節(jié)流口開(kāi)口量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的調(diào)節(jié)，最終完成對(duì)瀝青泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用的電液比例閥型號(hào)為L(zhǎng)90LS01，它是一種比例、負(fù)載、傳感、壓力補(bǔ)償多路閥，采用ECH電—液閥芯執(zhí)行器，可使用輔助手柄直接控制。采用+24V供電時(shí)，最小工作電流(啟動(dòng))為260mA，最大工作電流(全開(kāi)啟)為510mA。采用+24V供電，中位(啟動(dòng))電流為260mA，最大開(kāi)啟電流510mA。因此，微控制器輸出的脈沖調(diào)制(PWM)信號(hào)，需要進(jìn)行隔離、放大處理，使其能夠驅(qū)動(dòng)電液比例閥工作。該部分硬件原理如圖6所示。

圖6 PWM輸出模塊硬件電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化、程序是否處在校準(zhǔn)程序部分的判斷及功能子模塊循環(huán)調(diào)用等功能，其控制流程如圖7所示。當(dāng)用戶選擇自動(dòng)方式時(shí)，瀝青灑布控制模塊進(jìn)行初始化，讀取存儲(chǔ)參數(shù)和CAN總線數(shù)據(jù)。根據(jù)瀝青溫度決定是否打開(kāi)加熱裝置，再由瀝青灑布工作模式(準(zhǔn)備、噴灑或者停止)控制大小循環(huán)閥的開(kāi)閉和瀝青泵轉(zhuǎn)速，并寫(xiě)CAN總線數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前工作數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)初始化主要包括開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)控制器復(fù)用端口的配置，及Flash中設(shè)備參數(shù)的讀取。Flash中儲(chǔ)存了瀝青灑布設(shè)備參數(shù)，這些參數(shù)包括常參數(shù)和變參數(shù)。常參數(shù)是在作業(yè)過(guò)程中不會(huì)改變的參數(shù)。例如，瀝青泵排量、雷達(dá)車(chē)速傳感器頻率與速度的換算值、導(dǎo)熱油加熱的最高溫度與最低溫度等數(shù)值;變參數(shù)是在設(shè)備作業(yè)過(guò)程中會(huì)改變的參數(shù)。例如，上次關(guān)機(jī)時(shí)設(shè)置的灑布寬度、單位面積灑布量，以及累計(jì)灑布距離，累計(jì)灑布量等參數(shù)。

程序是否處在校準(zhǔn)部分的判斷。校準(zhǔn)程序包括設(shè)備常參數(shù)設(shè)定及傳感器標(biāo)定。設(shè)備常參數(shù)設(shè)定的目的是為了更換零件時(shí)參數(shù)的變更。而傳感器的標(biāo)定是為了測(cè)得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此在主程序中需要判斷是否處在校準(zhǔn)部分，如果處在校準(zhǔn)部分，那么就只執(zhí)行校準(zhǔn)程序，不執(zhí)行瀝青灑布作業(yè)程序。

功能子模塊循環(huán)調(diào)用。當(dāng)程序不處于校準(zhǔn)程序時(shí)，可以執(zhí)行瀝青灑布功能模塊循環(huán)調(diào)用，完成瀝青灑布功能。這些模塊包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、PID控制算法模塊、噴嘴控制模塊、導(dǎo)熱油控制模塊、噴桿高度控制模塊及推薦車(chē)速控制模塊。

4.2 軟件調(diào)試

為了驗(yàn)證控制方法的功能和性能，需要對(duì)軟件程序在仿真模式下進(jìn)行調(diào)試，還需要在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)硬件和軟件的功能進(jìn)行測(cè)試，從而優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到控制目標(biāo)和各項(xiàng)功能要求。

程序開(kāi)發(fā)是在keil uvision4 for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。該開(kāi)發(fā)環(huán)境適用于大多數(shù)的微控制器嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)環(huán)境還支持在線調(diào)試功能，可以單步調(diào)試、設(shè)置斷點(diǎn)、觀察各寄存器和變量的實(shí)時(shí)變化值，這對(duì)于系統(tǒng)調(diào)試是非常方便的。本系統(tǒng)采用STM32F103VB微處理器，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。設(shè)計(jì)程序過(guò)程中，采用J－LINK在線調(diào)試器。

圖7 控制流程圖

程序編輯完成并通過(guò)編譯之后，使用J－LINK下載器將電腦與處理器相連，在菜單欄點(diǎn)擊Debug即可將編譯好的程序下載到處理器中調(diào)試，在線調(diào)試界面如圖8所示。圖9所示為變量察看窗口，通過(guò)窗口可直接察看變量數(shù)據(jù)變化。程序調(diào)試完畢后，可通過(guò)片內(nèi)編程器把Keil生成的OUT文件固化到STM32內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中［6］。

圖8 系統(tǒng)在線調(diào)試界面

圖9 變量察看窗口

5 結(jié) 束 語(yǔ)

基于STM32的同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)功能完善，滿足同步碎石封層工藝質(zhì)量的控制要求，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。同時(shí)采用分布式控制原則，減小各模塊間的干擾，大大提高了系統(tǒng)可靠性。路面經(jīng)過(guò)同步碎石封層處理后，具有良好的抗滑性能和防滲水性能，能有效治愈路面貧油、掉粒、輕微網(wǎng)裂、車(chē)轍、沉陷等病害，主要用于道路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和修復(fù)性養(yǎng)護(hù)，無(wú)論是高速公路還是普通公路都可以使用此項(xiàng)養(yǎng)護(hù)技術(shù)［7］。

［1］張新榮，焦生杰.同步碎石封層技術(shù)及設(shè)備［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，21(11):1 －4.

［2］強(qiáng)召雷.同步碎石封層車(chē)控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，2007.

［3］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓，等.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)(2版)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］李寧.基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.01

［5］DICKEY－john Corp.DjCCS100 ANHYDROUS AMMONIA CONTROL SYSTEM INSTALLATION AND OPERATING MANUAL:U.S，US7036441 B2［P］.2006 －5 －2［2012 － 12 － 8］.http://patft.uspto.gov/netacgi/nph －Parser.

［6］STMicroelectronics.STM32F103datasheet ［EB/OL］.Switzerland:STMicroelectronics，2007［2012 － 10 － 5］.http://www. st. com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf.

［7］唐承鐵.同步碎石封層在高速公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中的推廣應(yīng)用研究［J］.湖南交通科技，2008(1):16－18.