袁清峰,劉志遠(yuǎn),趙天峰,馬 磊

(中國人民解放軍72465部隊，濟(jì)南 250022)

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一種車輛狀態(tài)通用自動監(jiān)測裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

袁清峰,劉志遠(yuǎn),趙天峰,馬 磊

(中國人民解放軍72465部隊，濟(jì)南 250022)

當(dāng)前裝備車輛底盤數(shù)據(jù)大都通過儀表盤進(jìn)行顯示，而沒有實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和存儲，造成對車輛的基本技術(shù)狀態(tài)無法進(jìn)行有效的評估和故障趨勢分析；針對這種情況，設(shè)計一種對車輛底盤狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和記錄的裝置，通過一個通用的多PIN接口與車輛儀表盤信號線相連，選用LPC1766微控制器進(jìn)行底盤傳感器輸出信號的采集，設(shè)計了波形采集算法實(shí)現(xiàn)對多種典型采集信號參數(shù)的計算，通過RS485通訊接口將數(shù)據(jù)上傳至車載終端進(jìn)行顯示、分析和存儲；試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)解決了多種車輛底盤參數(shù)的采集記錄問題，具有響應(yīng)靈敏、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

底盤參數(shù)；自動監(jiān)測裝置；采集算法

0 引言

隨著各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及其在裝備中的應(yīng)用，裝備作戰(zhàn)技術(shù)性能提高的同時其復(fù)雜程度也相應(yīng)增大，進(jìn)而產(chǎn)生較高的故障率，嚴(yán)重影響了裝備的運(yùn)行狀態(tài)[1]。準(zhǔn)確掌握裝備運(yùn)行的狀態(tài)，保持其戰(zhàn)備完好性是進(jìn)行裝備訓(xùn)練和執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的基礎(chǔ)，是對裝備進(jìn)行視情維護(hù)的重要依據(jù)[2]。

這就使得信息化條件下對裝備車輛狀態(tài)的監(jiān)控要求尤為迫切，目前大多數(shù)裝備車輛狀態(tài)信息大都通過儀表盤進(jìn)行顯示，對于車輛底盤的關(guān)鍵參數(shù)信息沒有進(jìn)行記錄存儲和智能處理，而這些信息的記錄處理對于掌握裝備車輛的狀態(tài)性能和制定車輛維護(hù)保養(yǎng)策略具有重要的參考價值，同時這些數(shù)據(jù)的積累是裝備車輛底盤故障趨勢預(yù)測的基礎(chǔ)。對于擁有CAN總線的新型車輛，可以直接通過CAN總線節(jié)點(diǎn)讀取車輛工作狀態(tài)參數(shù)信息；但是對于無此總線的車輛，如何準(zhǔn)確地得到各種車輛參數(shù)成為亟待解決的難題。

本文以某型裝備底盤為對象，對底盤各類傳感器的輸出信號進(jìn)行了分析，設(shè)計一種可實(shí)現(xiàn)對常見信號進(jìn)行采集、分析和存儲的通用自動監(jiān)測裝置，此監(jiān)測裝置可通過網(wǎng)口或RS485同外接智能處理終端進(jìn)行交互，為裝備保障信息化提供了底層數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置包含一個通用的多PIN接口與車輛的儀表盤信號線相連，一個高速AD采樣芯片、高速主控芯片，一個RS-485通訊接口以及一套內(nèi)嵌的底盤傳感器輸出信號波形分析算法，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.1 主控單元

監(jiān)測裝置主控芯片采用NXP公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器LPC1766，可以完成所有的控制、采樣和運(yùn)算。Cortex-M3架構(gòu)是專門面向工業(yè)控制的新型32 bit的處理器架構(gòu)，ARM Cortex-M3內(nèi)核與ARM7核相比采用了更先進(jìn)的ARMv7架構(gòu)，具有先進(jìn)的中斷處理能力，其中斷延遲最大只需12個周期。

基于該架構(gòu)的LPC1766操作頻率可達(dá)100 MHz，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25 MIPS/MHz[3]。此外，還提供豐富的外設(shè)和多種低功耗模式具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，能夠滿足監(jiān)測裝置對采集信號的處理要求。

1.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

采用16路12 bitA/D進(jìn)行采集，每秒可采集10 000個采樣點(diǎn)，誤差控制在1%以內(nèi)，通過對底盤傳感器輸出信號的分析，可完全滿足信號實(shí)時采集的需要。

1.3 傳感器參數(shù)檢測算法

針對不同的傳感器類型采用相應(yīng)算法以實(shí)現(xiàn)對不同傳感器輸出信號的采樣和分析處理。目前裝備傳感器信號可分成模擬信號與數(shù)字信號兩種，模擬信號可以分成直流電壓信號、動態(tài)波形信號、交流周期信號、電流信號等；數(shù)字信號一般都是用高低電平來標(biāo)識某種工作狀態(tài)。

模擬電壓信號需要根據(jù)信號大小通過分壓電路將其先分壓到適合A/D采樣的電壓(0～3.3 V)，然后輸入到主控芯片A/D中進(jìn)行采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換，采樣率為10 K/s。通過對裝備傳感器輸出電壓信號的分析，模擬電壓信號的參數(shù)檢測算法分為以下3種：直流電壓信號參數(shù)的檢測算法；方波電壓信號參數(shù)的檢測算法；正弦波電壓信號參數(shù)的檢測算法。對于電流信號，通過高精密度電阻，產(chǎn)生一定的壓降，通過計算得到該高精度電阻的電流，從而得到外部電流信號的值。

數(shù)字信號如果電壓值不在0～5 V內(nèi)也需要分壓到TTL電平范圍內(nèi)，然后接入到主控芯片的I/O端口上。數(shù)字信號的檢測主要通過主控CPU內(nèi)部的數(shù)字邏輯來自動實(shí)現(xiàn)。

2 監(jiān)測裝置具體實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

主控采用Cortex-M3，自帶16路ADC和64路IO端口，512KFLASH，可以定期儲存一定的采集參數(shù)信息。采集器包含一個通用的60PIN帶鎖止的接口，可與不同類型的裝備車輛底盤傳感器信號輸出端相連接，裝上不同的60PIN連接線即可實(shí)現(xiàn)對不同傳感器輸出信號的采集。

圖2 信息采集器組成

圖2為信息采集器的架構(gòu)圖，信息采集器由以下4個部分組成：

1)MCU及AD。由于采用單芯片方案，MCU與AD結(jié)合在一起，用以處理傳感器數(shù)據(jù)。

2)總線接口。采用雙線RS-485總線接口，用于連接采集器和車載終端進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的通訊，也可直接與使用RS-485串口輸出的傳感器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此RS-485串口還可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為通用的RS-232串口，用于直接與車載終端或者與使用RS-232串口輸出的傳感器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3)參考電源。使用底盤電瓶進(jìn)行穩(wěn)壓以后作為參考電源使用。

4)通用接口。采用60PIN的接口，此接口通過定制不同的線纜可以接駁不同的裝備車輛傳感器輸出信號進(jìn)行參數(shù)采集。每個PIN腳旁邊都留有分壓電路的連接點(diǎn)，可以通過不同的分壓電阻來實(shí)現(xiàn)采集0～36 V范圍內(nèi)各種電壓值。60PIN中包含16個模擬信號采集腳、36個數(shù)字信號采集腳、電源輸入腳和地、以及其他保留腳。實(shí)際應(yīng)用于某型裝備的底盤信息采集器和底盤信號連接示意圖如圖3所示。

圖3 底盤信息采集器和底盤信號連接示意圖

一種裝備戰(zhàn)車通常需要兩個信息采集器，一個用于采集底盤信息，一個用于采集上裝信息。連接底盤時，從60PIN接頭處引出所需連線接入到儀表盤后的電路中；連接上裝時，一端接入到60PIN接口，另一端使用匹配的航空插頭接入上裝的檢測端口。MCU上所有的ADC口和IO口均連接至60PIN通用接口處以便接駁其他裝備。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理后通過RS-485串口上傳至車載終端，用以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示和記錄。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用Coocox CoOS實(shí)時操作系統(tǒng)，它具有高度可裁剪性，最小系統(tǒng)內(nèi)核僅974Byte。CoOS本身包括了任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、內(nèi)存管理以及任務(wù)間的通信與同步等功能。系統(tǒng)軟件部分主要包括初始化模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和外部中斷控制模塊，具體功能如下：

1)初始化模塊：主要完成設(shè)備上電啟動后系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)自檢兩方面的任務(wù)。

2)采樣控制模塊：設(shè)定采樣頻率和時序，對所有傳感器輸出信號的采樣進(jìn)行控制。

3)采集算法：針對不同傳感器輸出信號的采集值，處理所有采樣數(shù)據(jù)以計算分析出信號對應(yīng)的參數(shù)。

4)外部中斷控制：檢測外部中斷源以采集突發(fā)的信號，比如自檢結(jié)果數(shù)據(jù)、故障告警信息等。

2.3 信息采集方式

根據(jù)信息的產(chǎn)生方式，裝備車輛一共有兩種類型的參數(shù)：實(shí)時參數(shù)、自檢參數(shù)。

實(shí)時參數(shù)是由戰(zhàn)車實(shí)時產(chǎn)生的，戰(zhàn)車發(fā)動工作以后就開始采集這些參數(shù)。實(shí)時參數(shù)包括底盤電流、底盤電壓、缸溫、發(fā)動機(jī)油壓、底盤油溫、傳動箱油壓、油量、里程、車速、轉(zhuǎn)速、摩托小時、上裝各種電壓信號等。對傳感器輸出的不同類型信號分別采用不同的檢測算法進(jìn)行采集和運(yùn)算。

自檢參數(shù)是在裝備進(jìn)行上裝自檢時產(chǎn)生的，采集器檢測到戰(zhàn)車進(jìn)行自檢后采集自檢結(jié)果。自檢參數(shù)包括武器系統(tǒng)各組成分系統(tǒng)的自檢結(jié)果和故障告警信息。

3 采集算法設(shè)計

對于某型裝備車輛底盤傳感器輸出的不同類型的模擬電信號與實(shí)際物理量之間的計算關(guān)系總結(jié)如下：

1)直流電壓信號參數(shù)的計算方法：采用多次采樣取平均值的辦法來確定電壓的精確值，因?yàn)閼?zhàn)車底盤傳感器輸出的電壓信號會在一個范圍內(nèi)波動，需要做多次平均以得到比較準(zhǔn)確的電壓值。由于裝備工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、傳感器測量噪聲、采集系統(tǒng)故障等因素，會產(chǎn)生一些明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行分析提取和剔除，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志信號和異常點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)比對可以基本確定異常的來源并排除，以保證數(shù)據(jù)的可用性和有效性。對采集值進(jìn)行預(yù)處理后，采用1秒中平均一次的辦法，每秒取20個數(shù)據(jù)平均后得到此秒時刻對應(yīng)的電壓值。

2)方波信號參數(shù)的計算方法：戰(zhàn)車中有些參數(shù)的信號是一個類似于方波的波形，用波形的頻率來代表參數(shù)的值。通過測量確定信號的頻率最大為500 Hz，對應(yīng)10 K/s的采樣率每個周期至少可以采樣20個點(diǎn)，每隔1秒對參數(shù)處理一次，把所有的10 000個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，高于中間電平的統(tǒng)一算為1，低于的則為0。因?yàn)檐囕v里干擾源較多經(jīng)常會使得波形含有毛刺需要進(jìn)行去毛刺處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有長度小于3的連續(xù)0或者1時即認(rèn)為是毛刺從而進(jìn)行過濾。去完毛刺后統(tǒng)計1秒內(nèi)所有高低電平變化的次數(shù)即可得出波形的頻率，進(jìn)而得出傳感信號對應(yīng)的實(shí)際物理參數(shù)值。

3)正弦波信號參數(shù)的計算方法：戰(zhàn)車的某些信號表現(xiàn)類似于一個正弦波信號，同樣是需要得出波形的頻率來取得其實(shí)際對應(yīng)的參數(shù)值。首先要把正負(fù)電壓的波形變換到0～3 V的ADC可采樣范圍內(nèi)，然后確定高低電平的閾值，分壓后最高點(diǎn)電壓為2.8 V，最低為0.2 V，所以取中間電平1.5 V作為判斷0或者1的分界點(diǎn)，高于1.5 V判為1、反之為0。使用與2)同樣的去毛刺方法去掉波形中的毛刺，最后統(tǒng)計1秒內(nèi)所有高低電平變化的次數(shù)即可得出波形的頻率。

4 測量結(jié)果分析

自動監(jiān)測裝置設(shè)計實(shí)現(xiàn)后，選取某型戰(zhàn)車底盤典型的4個狀態(tài)參數(shù)，在戰(zhàn)車穩(wěn)定工作的情況下對其底盤的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過對采集信號參數(shù)和實(shí)際物理量的換算，與同一時刻儀表盤顯示的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對，其測試對比結(jié)果如表1所示。

表1 本裝置測量值與儀表盤顯示值對比

由表1可以看出，本文實(shí)現(xiàn)的自動監(jiān)測裝置可準(zhǔn)確測量還原出車輛底盤的實(shí)時狀態(tài)參數(shù)信息，實(shí)際上相比儀表盤的刻度顯示，本裝置更能精確地完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和記錄，為實(shí)現(xiàn)對車輛底盤的有效性能評估和故障趨勢分析提供了數(shù)據(jù)積累。

5 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種裝備車輛底盤狀態(tài)通用自動監(jiān)測裝置的設(shè)計與開發(fā)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對無CAN總線的車輛底盤信息進(jìn)行自動監(jiān)測、分析和存儲，解決了車輛底盤參數(shù)無法記錄的問題，為裝備車輛的日常管理、事故分析和健康狀態(tài)評估提供了可靠依據(jù)。

[1] 邱文昊,黃考利,連光耀,等.某型復(fù)雜裝備車載狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2015,23(5):1589-1591.

[2] 左憲章, 康 健,李 浩,等. 故障預(yù)測技術(shù)綜述 [J]. 火力與指揮控制,2010,35(1):1-5.

[3] 周立功,等. 深入淺出Cortex-M3——LPC1700[Z]. 廣州:廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2010.

Design and Application of Universal Auto Test Equipment for Parameters of Vehicle Status

Yuan Qingfeng,Liu Zhiyuan,Zhao Tianfeng,Ma Lei

(No.72465 Unit of the Chinese People’s Liberation Army, Jinan 250022, China)

The status data of vehicle chassis is expressed through instrument board, which is not sampled and saved. So status estimation and fault prediction is not executed effectively. A kind of auto test equipment (ATE) which samples vehicle status has been designed. The proposed ATE is connected to instrument board through the universal PIN interface. The design chooses LPC1766 microcontroller to collect data from chassis sensors, and it designs sample algorithm to calculate the parameters of representative signals, then sends relevant test data to the on-board PC for display, analysis and storage by RS 485 serial communication. The experiment and application results show that the proposed ATE which can complete sample and storage according to general vehicle chassis has sensitive response and accurate measuring range, and it has a high application value.

vehicle chassis status; auto test system; sample algorithm

2015-09-28；

2015-11-05。

中國博士后科學(xué)基金(2014M562661)。

袁清峰(1981-)，男，山東費(fèi)縣人，工學(xué)博士，工程師，主要從事裝備測試與維修、裝備故障預(yù)測與健康管理等方向的研究。

1671-4598(2016)06-0015-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.004

TP274

A