劉子川 郭朋彥 邵方閣 申方

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

基于AMT變速箱電子控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)

劉子川 郭朋彥 邵方閣 申方

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

基于一款自主研發(fā)的AMT變速箱電子控制系統(tǒng)（TCU），應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)對(duì)其上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，完成控制系統(tǒng)上位機(jī)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，建立上位機(jī)和下位機(jī)間的實(shí)時(shí)通信。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。

AMT變速箱；電子控制系統(tǒng)；LabVIEW；上位機(jī)

電控機(jī)械式自動(dòng)變速箱（AMT）是在傳統(tǒng)的手動(dòng)變速箱的基礎(chǔ)上加上一套電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其能夠根據(jù)油門開度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)來(lái)自動(dòng)判斷換取的最佳擋位，并且模擬司機(jī)進(jìn)行離合器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。然而，AMT對(duì)選換擋及離合器的控制是經(jīng)過(guò)各種數(shù)據(jù)綜合處理的。因此，自動(dòng)控制比人為更加精確無(wú)誤，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及換擋品質(zhì)等。與其他自動(dòng)變速器相比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：保留了傳統(tǒng)齒輪變速箱傳遞效率高的優(yōu)點(diǎn)；只用加上一套控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，因此大大降低了生產(chǎn)成本；AMT是在傳統(tǒng)的變速箱基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與其他變速箱相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造［1］。本文根據(jù)AMT變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀，基于一款自主開發(fā)的AMT變速箱電子控制系統(tǒng)（TCU），應(yīng)用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，對(duì)其上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)TCU工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)分析

入輸出軸轉(zhuǎn)速、目前擋位及油門開度等信號(hào)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)可以視為一個(gè)信號(hào)，車速信號(hào)和離合器輸出軸轉(zhuǎn)速也可以視為一個(gè)信號(hào)。因此，作為輸入模擬信號(hào)，可以簡(jiǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速信號(hào)、油門開度信號(hào)等［2］。

其中，模擬信號(hào)中車速信號(hào)最為重要，由于車速信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，在TCU的設(shè)計(jì)中可以用PWM波模擬TCU的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速信號(hào)輸入，上位機(jī)采用儀表盤進(jìn)行顯示；油門開度信號(hào)是油門踏板的角度信號(hào)，也相當(dāng)于一個(gè)模擬信號(hào)，因?yàn)橛烷T踏板信號(hào)是一個(gè)連續(xù)變化信號(hào)，上位機(jī)可以使用條形計(jì)數(shù)顯示模塊進(jìn)行顯示；汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及組合型換擋模式可以在上位機(jī)上直接顯示。

TCU運(yùn)用AD轉(zhuǎn)換和FTM定時(shí)器模塊來(lái)采集油門、離合器結(jié)合位置等模擬信號(hào)以及車速、離合器輸入輸出軸轉(zhuǎn)速等數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)信號(hào)運(yùn)算和處理，根據(jù)相應(yīng)的選換擋規(guī)律，判斷是否達(dá)到換擋臨界點(diǎn)。通過(guò)串口通信模塊將各輸入信號(hào)和反饋信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)試、分析。其整體構(gòu)架如圖1所示

圖1 TCU工作示意圖

2 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)AMT控制器TCU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，采用LabVIEW軟件進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。與VC、VB、組態(tài)王等軟件開發(fā)上位機(jī)相比，LabVIEW的編程是運(yùn)用圖形化進(jìn)行編程，簡(jiǎn)單易懂。在LabVIEW中有很多顯示模塊，可以直接調(diào)用，另外也可以自定義控件和XControl。在工業(yè)應(yīng)用中，尤其是在高端產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)開發(fā)中極大地節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和成本。因此，LabVIEW在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［3］。根據(jù)本次項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)的上位機(jī)分為串口通訊模塊、速度顯示模塊、油門開度顯示模塊、目前擋位顯示模塊、手自模式選擇模塊和經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式選擇模塊等。

2.1 串口通訊模塊設(shè)計(jì)

實(shí)際上有很多的通信方式，比如串口、并口、以太網(wǎng)等，其中串口通信較為通用，而且傳輸距離遠(yuǎn)且不失真，所以本次設(shè)計(jì)采用串口通信。在LabVIEW默認(rèn)情況下，程序的執(zhí)行順序是沿著前后順序的方向運(yùn)行的。其中，串口通信模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 LabVIEW串口通訊程序圖

VISA串口通訊模塊的程序編寫很固定，分為串口資源配置、串口寫入、串口讀取及串口關(guān)閉四部分［4］，由于本次不牽涉上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，所以用不到串口寫入功能。在程序圖中最前邊的指令為VISA資源配置命令，根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的I/O端口、波特率、奇偶校驗(yàn)位、終止符等。需要注意的是，在串口配置時(shí)一定要與下位機(jī)設(shè)置一致，否則接收不到數(shù)據(jù)或者接收為亂碼。接下來(lái)的是VISA讀取命令，運(yùn)用VISA讀取指令來(lái)讀取串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀取完畢采用VISA關(guān)閉指令將串口通信關(guān)閉［5］。

2.2 速度顯示模塊和油門開度顯示模塊設(shè)計(jì)

速度顯示模塊實(shí)際上大多采用儀表式，為了和現(xiàn)實(shí)更加接近，本次速度顯示模塊采用1個(gè)儀表顯示。為了表達(dá)更加直觀，本次油門開度模塊采用1個(gè)水平進(jìn)度條來(lái)進(jìn)行顯示。車速顯示如圖3所示，油門開度顯示如圖4所示。

圖3 LabVIEW速度顯示圖

在LabVIEW中個(gè)需要注意的問(wèn)題是，不同的數(shù)據(jù)類型是不能夠直接連接的。比如，一個(gè)顯示控件的輸入要求為整數(shù)數(shù)據(jù)類型，而如果把一個(gè)輸出為字符串類型連接到該輸入端的話就會(huì)報(bào)錯(cuò)。但是也并不是沒(méi)有辦法，需要將字符類型運(yùn)用類型轉(zhuǎn)換類命令就可以實(shí)現(xiàn)相連。在本次串口接收到的數(shù)據(jù)類型為字符串類型的，儀表盤的輸入要求為整數(shù)數(shù)據(jù)類型，不可以直接相連。所以，將串口發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行字符串和數(shù)值轉(zhuǎn)換即可連接到儀表盤進(jìn)行顯示。

2.3 目前擋位顯示模塊和模式選擇模塊設(shè)計(jì)

在LabVIEW中有很多儀表盤可以顯示數(shù)據(jù)，也可以運(yùn)用數(shù)字顯示控件顯示數(shù)字，但是有的不明顯，有的不美觀。所以，可以運(yùn)用點(diǎn)陣來(lái)顯示想要顯示的內(nèi)容，既美觀又明顯。在LabVIEW中顯示點(diǎn)陣是一種比較新穎的技術(shù)，也是LabVIEW程序設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的顯示技巧。所謂點(diǎn)陣，就是用燈的亮滅來(lái)顯示各類圖形，但在LabVIEW中卻不用那么麻煩，其中有已經(jīng)做好的控件，不運(yùn)用程序進(jìn)行控制燈的亮滅，直接將需要顯示的文字或者數(shù)字先轉(zhuǎn)換成文本，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的像素圖，通過(guò)一系列處理就可以顯示［6］。其程序如圖5所示。

其中，第1個(gè)指令為在矩形中繪制文本，在這個(gè)指令中可以設(shè)置所需字體、背景圖片、文本顯示方向、文本顏色和矩形點(diǎn)陣的大小等點(diǎn)陣顯示的基本性質(zhì)，在速度、油門開度表示的時(shí)候需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，而這個(gè)命令的輸入要求為字符串類型的，所以這里不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換；通過(guò)第2個(gè)指令將圖片向像素圖轉(zhuǎn)換，其中用圖像深度來(lái)指定圖像的深度，分為1、4、8、24位，而本次采用的是1位；第4個(gè)指令是一個(gè)for指令，在for指令中含有1個(gè)一位數(shù)組循環(huán)移位命令，通過(guò)這個(gè)命令可以實(shí)現(xiàn)文字的移動(dòng)，使得文字顯示在整個(gè)點(diǎn)陣的正中間。通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)，最終就能在目前擋位中顯示擋位的信息。目前，擋位、A/M模式及E/P模式顯示如圖4所示。

圖4 LabVIEW油門開度以及點(diǎn)陣顯示圖

圖5 LabVIEW點(diǎn)陣程序圖

2.4 信號(hào)處理

由于串口通訊中發(fā)送數(shù)據(jù)頻率太高，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失錯(cuò)位等，儀表?yè)跷坏蕊@示就會(huì)出現(xiàn)巨大的波動(dòng)，所以采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波處理。其中，數(shù)據(jù)處理程序如圖6、7所示。

圖6 LabVIEW求平均值程序圖

圖7 LabVIEW反饋節(jié)點(diǎn)程序圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)波特率調(diào)低會(huì)是數(shù)據(jù)波動(dòng)明顯降低，所以本次設(shè)計(jì)將波特率調(diào)低，但是又不能太低，太低的話導(dǎo)致數(shù)據(jù)不連續(xù)，也會(huì)引起儀表波動(dòng)較大。因此，此次設(shè)計(jì)串口通訊波特率由原來(lái)的9 600調(diào)位4 800。另外，運(yùn)用中值濾波方法，取采集的前100項(xiàng)和求其平均值，也同樣可以有效降低數(shù)據(jù)波動(dòng)問(wèn)題［7］。同時(shí)，由于本次設(shè)計(jì)是不允許跨擋位進(jìn)行換擋的，所以不可能出現(xiàn)擋位變化大于二。因此，在擋位模塊中加上一個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)，將要顯示的值與上一時(shí)刻的進(jìn)行比較，如果不在允許變化范圍之內(nèi)，將繼續(xù)發(fā)送上一時(shí)刻的值，直到滿足即可。TCU上位機(jī)顯示如圖8所示。

圖8 AMT上位機(jī)圖

3 上位機(jī)調(diào)試

通過(guò)運(yùn)用LabVIEW開發(fā)設(shè)計(jì)出AMT控制器的上位機(jī)，通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上位機(jī)能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定地顯示車速、油門開度、目前擋位、手自模式選擇及經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式選擇等信息，滿足了TCU功能要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，上位機(jī)調(diào)試如圖9、10所示。

圖9 自動(dòng)擋經(jīng)濟(jì)模式上位機(jī)顯示圖

圖10 手動(dòng)擋動(dòng)力模式上位機(jī)顯示圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于自主開發(fā)的AMT變速箱TCU對(duì)其上位機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，完成了變速箱通訊上位機(jī)的設(shè)計(jì)。雖然上位機(jī)能夠滿足使用要求，在顯示的過(guò)程中由于數(shù)據(jù)采集頻率太快出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。所以，本次設(shè)計(jì)適當(dāng)降低了串口波特率和采集頻率，并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理，經(jīng)過(guò)最終的改進(jìn)，波動(dòng)情況有了明顯的改善，滿足了實(shí)際的使用要求。

［1］趙強(qiáng).汽車自動(dòng)變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀及其技術(shù)趨勢(shì)［J］.機(jī)械，2010（12）：1-5.

［2］顧佳鼎.混合動(dòng)力HEV轎車AMT控制器硬件開發(fā)［J］.上海汽車，2009（1）：3-8.

［3］馬草原.基于LABVIEW的串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析［J］.工礦自動(dòng)化，2005（4）：74-76.

［4］許美玲.基于LabVIEW串口通訊的的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.機(jī)械與電子，2010（S1）：172-174.

［5］趙梅.基于LabVIEW的AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：70-74，79.

［6］吳紅衛(wèi).基于LabVIEW的漢字點(diǎn)陣字模提?。跩］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（6）：545-547.

［7］趙杰.交流異步電機(jī)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

The Design of Upper Computer Based on AMT Transmission Electronic Control System

Liu Zichuan Guo Pengyan Shao Fangge Shen Fang
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

In this paper,based on one independent development AMT transmission electronic control system(TCU), the upper machine was designed and researched through using the LabVIEW software development platform.The de?sign of the control system of each module of the upper computer was completed,and a real-time communication be?tween upper machine and lower machine was set up based on the idea of modular design.The results show that the upper machine of the design can realize real-time monitoring and display for the parameters of the control system.

AMT transmission；electronic control system；LabVIEW；upper computer

TK46

：A

：1003-5168（2017）01-0037-03

2016-12-25

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助計(jì)劃（13A460693），華北水利水電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（HSCX2014112）。

劉子川（1990-），男，碩士，研究方向：車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)試方面的研究。