趙新通++陳雷++常龍

摘要：根據(jù)輪荷稱重儀的工作原理和應(yīng)變片組橋方式，設(shè)計(jì)一套輪荷稱重儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由下位機(jī)硬件與上位機(jī)軟件組成，硬件部分是通過(guò)選擇合適的電子器件和合理的設(shè)計(jì)電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)；軟件采用LabVIEW編程技術(shù).輪荷稱重儀獲取車(chē)輪對(duì)傾翻臺(tái)面的徑向壓力，傾翻臺(tái)下面的應(yīng)變片由于力的作用產(chǎn)生應(yīng)變，下位機(jī)獲取數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)串口通信模塊，下位機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，由上位機(jī)面板把信息傳達(dá)給用戶.此系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)后期處理和工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)等功能.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；輪荷稱重儀；多通道

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.004

中圖分類(lèi)號(hào)：TH39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683 （2015）03-0019-05

O 引 言

車(chē)輛的質(zhì)心和質(zhì)心位置等參數(shù)對(duì)車(chē)輛的一些性能指標(biāo)有一定影響，例如車(chē)輛的操控性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、制動(dòng)性等，精確地測(cè)量車(chē)輛質(zhì)心位置是必要的，而現(xiàn)有車(chē)輛質(zhì)心測(cè)量法難以實(shí)現(xiàn)多軸車(chē)輛的質(zhì)心位置測(cè)量，因此提出在傾翻臺(tái)上應(yīng)用輪荷測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量多軸車(chē)輛的質(zhì)心，本文根據(jù)多通道輪荷測(cè)量?jī)x使用工況的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套與其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理、對(duì)測(cè)量結(jié)果的后續(xù)處理和對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)等功能.該數(shù)據(jù)系統(tǒng)由下位機(jī)硬件與上位機(jī)軟件兩部分組成.下位機(jī)硬件負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)采顯示及溫度監(jiān)控等.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的切換采集、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)及系統(tǒng)工作環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)與報(bào)警等功能.本文主要介紹了輪荷測(cè)量?jī)x的工作原理和下位機(jī)硬件的設(shè)計(jì).

1 輪荷測(cè)量?jī)x的工作原理

該輪荷測(cè)量?jī)x是一種多通道一體式輪荷稱重儀，多套輪荷稱重儀安裝在傾翻臺(tái)面上，通過(guò)調(diào)整稱重儀相互之間的間距，來(lái)滿足不同車(chē)型的測(cè)量要求.輪荷稱重儀的主要功能是獲取車(chē)輪對(duì)傾翻臺(tái)面的徑向壓力，首先實(shí)現(xiàn)從輪荷稱重儀局部應(yīng)變?cè)俚诫娦盘?hào)的轉(zhuǎn)換，繼而利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行采集與處理.

1.1 輪荷測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)模型

輪荷稱重儀的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，輪荷測(cè)量?jī)x是基于電阻應(yīng)變式稱重傳感器而設(shè)計(jì)的一個(gè)板橋型秤體，在合金板底部靠近支撐的區(qū)域加工4個(gè)等距等寬等深的矩形槽，在矩形槽內(nèi)黏貼應(yīng)變片，用來(lái)檢測(cè)輪荷測(cè)量?jī)x在受力時(shí)所發(fā)生的形變.

輪荷稱重儀是一個(gè)在長(zhǎng)度、寬度及各個(gè)橫截面方向上規(guī)則的彈性結(jié)構(gòu)體，根據(jù)材料力學(xué)變形固體的連續(xù)性、均勻性、各向同性假設(shè)，稱重儀可以看做由n條平行排列的彎曲梁組成.分析其中一條梁的力學(xué)性能，其受力分析如圖2所示，

當(dāng)?shù)刃Я褐皇艿椒ㄏ蛄、的作用時(shí)，在1、2、3、4位置處的彎矩分別為：

令1、2、3、4位置處矩形槽內(nèi)表面的應(yīng)變分別為 ，則有

式中：yi為矩形槽內(nèi)表面到中性軸的距離；E為稱重儀材料的彈性模量； 為矩形槽內(nèi)表面對(duì)中性軸的慣性矩.

由于每個(gè)矩形槽的尺寸都一致，所以每個(gè)矩形槽內(nèi)表面到中性軸的距離都相等，每個(gè)矩形槽內(nèi)表面對(duì)中性軸的慣性矩也相等，即

1.2 輪荷稱重儀的組橋方式

在稱重儀的4個(gè)等寬等深的矩形槽表面等間距粘貼應(yīng)變片，每4個(gè)應(yīng)變片在長(zhǎng)度方向相連接構(gòu)成一組全橋電路，一共粘貼9組，這樣稱重儀將會(huì)有9組橋路的傳感器信號(hào)輸出，具體的貼片組橋方式如圖3所示，

應(yīng)用支路電流法，算得每組橋路的輸出電壓為：

將式（1）～（5）代人式（9）得到稱重儀上每組橋路輸出電壓為：

假設(shè)稱重儀上的載荷為Fo，稱重儀橋路輸出電壓就是9組橋路輸出電壓之和，用公式表示為：

式中： 為稱重儀電橋輸出的電壓之和； 為每組電橋的供電電壓；Ko為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；Yi為應(yīng)變片粘貼表面到中性軸的距離；L2為同側(cè)矩形槽間距； 為某個(gè)等效梁上的總載荷分量；E為稱重儀材料的彈性模量；，，為應(yīng)變片所在截面對(duì)中性軸的慣性矩；Fo為稱重儀上加載載荷.

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括下位機(jī)，RS - 232串口通信和上位機(jī)，下位機(jī)是以單片機(jī)作為整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件控制核心，通過(guò)它的邏輯控制完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處，主要有通道選擇模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU模塊，通過(guò)RS-232總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理與存儲(chǔ)，應(yīng)用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)交互界面，主要有用戶登錄模塊、單/多通道采集模塊和溫度監(jiān)測(cè)模塊，輪荷儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)也就是下位機(jī)，它是整個(gè)輪荷稱重儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部分，要完成多路傳感器信號(hào)的采集、輸出數(shù)字量測(cè)量結(jié)果，硬件設(shè)計(jì)需要完成電源模塊、多通道控制選通、信號(hào)調(diào)理、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字顯示、溫度監(jiān)測(cè)及通信接口模塊等工作.通過(guò)選擇合適的電子元件，完成整體電路原理圖設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)，通過(guò)電路板焊接與調(diào)試，最終完成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，硬件實(shí)物圖如圖5所示.

2.1.1多通道選擇控制電路設(shè)計(jì)

輪荷稱重儀具有9個(gè)通道的輸出信號(hào)，每個(gè)單通道的信號(hào)都需要被采集，針對(duì)本系統(tǒng)傳感器信號(hào)的特點(diǎn)采用多路模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道的分時(shí)選通.被測(cè)信號(hào)是差分雙路信號(hào)，使得單路模擬開(kāi)關(guān)不適用，本系統(tǒng)最終選擇3個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052.具體應(yīng)用電路如圖6所示，通過(guò)單片機(jī)的1/0端口操控CD4052的工作狀態(tài)，完成對(duì)于多通道信號(hào)的切換控制.

圖6模擬開(kāi)關(guān)CD4052電路原理圖

2.1.2

A/D轉(zhuǎn)計(jì)換器

在輪荷儀測(cè)量系統(tǒng)中，需要把采集來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成MCU能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，那么A/D轉(zhuǎn)換器是必不可少的，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)ADC的轉(zhuǎn)換精確度、采樣速率、線性度及接口特性等方面的需求，本文選擇了性價(jià)比較高的TM7709模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其應(yīng)用電路原理圖如圖7所示

2.1.3 邏輯控制元件

邏輯控制元件MCU是整個(gè)硬件電路的核心單元，通過(guò)單片機(jī)的控制來(lái)完成各個(gè)功能模塊之間有效地運(yùn)行，以及對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)采集和傳輸.本系統(tǒng)選用了STC90C516RD+型號(hào)單片機(jī)作為控制器件.通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序指令，實(shí)現(xiàn)了通道選擇、數(shù)據(jù)獲取、實(shí)時(shí)顯示及通信接口控制等功能，高效、有序地完成了系統(tǒng)的邏輯控制.

2.1.4 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以在硬件電路上直接顯示數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，根據(jù)顯示功能設(shè)計(jì)的要求，采用兩個(gè)四位一體的八段數(shù)碼管，并選用TM1638芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)控制這兩個(gè)數(shù)碼管.單片機(jī)通過(guò)3個(gè)I/O口對(duì)TM1638進(jìn)行讀寫(xiě)控制操作，實(shí)現(xiàn)彼此間的串行數(shù)據(jù)通信，以顯示測(cè)量結(jié)果.數(shù)據(jù)顯示電路原理圖如圖8所示.

2.1.5 串口通信接口電路設(shè)計(jì)

通信接口電路是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間相互通信的橋梁.在串行通信中，下位機(jī)和上位機(jī)需選擇相同的接口標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)行正常的相互通信.在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因計(jì)算機(jī)上的串口是RS - 232負(fù)邏輯電平，所以選擇MAXIM公司的MAX232換芯來(lái)設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路.串口通信的實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖9所示.

2.1.6 溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警電路設(shè)計(jì)

由于硬件電路中的芯片都有各自的溫度工作范圍，工作環(huán)境溫度會(huì)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失靈，所以對(duì)下位機(jī)硬件的]二作環(huán)境進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè).采用DS18820與有源蜂鳴器組建了溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警電路，一旦工作環(huán)境溫度超出設(shè)定的范圍，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)嗚叫發(fā)出警告，溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖10所示

2.2 上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)

輪荷稱重儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)也就是硬件部分，只是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，有一定的局限性.為了將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地運(yùn)算處理與存儲(chǔ)，開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是必不可少的一部分.采用虛擬儀器軟件LabVIEW來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)界面，通過(guò)RS-232串口計(jì)算機(jī)可以與下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與采集控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)管理等功能.根據(jù)數(shù)采系統(tǒng)的功能要求，用上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)了單通道采集、多通道采集、數(shù)據(jù)管理及溫度監(jiān)測(cè)4個(gè)控制界面，多通道采集界面如圖11所示.

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一套適用于多通道輪荷測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).在設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用了信號(hào)采集理論、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、C語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、電路抗干擾技術(shù)及虛擬儀器等技術(shù)，完成了系統(tǒng)的下位機(jī)和上位機(jī)的開(kāi)發(fā)工作.該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，并且還可對(duì)工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè).這樣一套多通道輪荷稱重?cái)?shù)采系統(tǒng)兼具成本低、性能穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輪荷高精度測(cè)量具有一定的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用前景.