肖琴，高華，黃縣強，吳健

(中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引言

輪胎的耐久性能與滾動阻力都是評價輪胎特性的重要指標，相關測試設備都有類似的機械構架與測試數(shù)據(jù)，將兩種性能測試整合在同一設備上可以為工廠省下一筆不菲的開銷。依托當下流行的虛擬儀器軟件LabVIEW為上位機開發(fā)基礎，根據(jù)系統(tǒng)工作原理將測試所需采集的數(shù)據(jù)集中處理實現(xiàn)整合的功能。LabVIEW使用圖形化編程語言編寫程序，操作方便靈活程序移植性強，函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)通信、信號處理、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)庫及報表生產(chǎn)等，在現(xiàn)代測控應用中有著廣泛的應用。LabVIEW擁有強大的數(shù)據(jù)采集能力，不僅能夠以插卡式數(shù)據(jù)采集設備發(fā)送和檢測模擬信號和數(shù)字信號，也可通過GPIB總線或計算機內(nèi)的USB接口、以太網(wǎng)及串行口很容易地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[1]。

1 系統(tǒng)原理

試驗機由調(diào)速裝置拖動電機帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，在液壓油缸的作用下輪胎壓靠在轉(zhuǎn)鼓表面進行耐久性能試驗。輪胎加載工位的主要由滑臺總成、直線導軌、液壓油缸、負荷傳感器及試驗輪胎/輪輞總成等組成，滑臺在液壓油缸的推動下沿著直線導軌做往復直線運動，將安裝在工位連接盤法蘭上的試驗輪胎壓向轉(zhuǎn)鼓或離開轉(zhuǎn)鼓，由安裝在滑臺上的負荷傳感器將測量到的加載數(shù)值傳送給主控制柜，進而實現(xiàn)載荷的顯示、調(diào)節(jié)、控制及打印等工作?？刂葡到y(tǒng)包括調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)，調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)由SIEMENS調(diào)速裝置完成，主控制臺由德國Beckhoff嵌入式PC控制測試操作、數(shù)據(jù)采集和處理，研華公司的工業(yè)級平板IPC進行數(shù)據(jù)顯示和存儲。

滾動阻力根據(jù)測量參數(shù)的區(qū)分，可大致分為以下四種測量方法：測力法、扭矩法、功率法、減速度法?；谀途眯阅茉囼灆C的基礎上，采用功率法測量滾動阻力較易實現(xiàn)，設備改動小。根據(jù)GB/T 18861—2012《汽車輪胎和摩托車輪胎滾動阻力試驗方法多點試驗》標準功率法滾動阻力公式如下式：

式中為試驗機驅(qū)動電機的電壓，單位為伏特；A為試驗機驅(qū)動電機的電流，單位為安培；Un為轉(zhuǎn)鼓速度，單位為km/h；Fpl為附加損失，單位為牛頓，依照機器法計算。

通過公式可見采用功率法測量滾動阻力時試驗機的電源質(zhì)量對其影響很大，必須要在進線側(cè)穩(wěn)定電源，減小電源的波動，盡量降低計算偏差。

2 硬件結構

主控制系統(tǒng)采用Beckhoff CX9020嵌入式PC，操作系統(tǒng)為Windows Embedded Compact 7，基于ARMv7-A架構，應用"i.MX535 CortexTM-A8"處理器，帶有2個RJ45以太網(wǎng)交換接口、4個USB接口、1個DVI-D接口、1個可選串行接口、2個MicroSD插槽、1GB的DDR3內(nèi)存。CX9020自帶的兩個以太網(wǎng)交換接口分別為X000和X001，接口X000接入工控機與LabVIEW通訊，接口X001通過EtherCAT總線耦合器EK1100連接輸入輸出模塊。調(diào)速裝置則以Profibus總線通訊方式通過PROFIBUS主/從站端子模塊接入控制器，傳輸轉(zhuǎn)鼓速度命令及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

負荷控制選用德國HBM C2扭環(huán)式稱重傳感器作載荷測量，液壓伺服閥控制油缸動作作載荷調(diào)節(jié)，通過NI多功能I/O設備PCI-6281模擬量通道與LabVIEW上位機數(shù)據(jù)傳輸。PCI-6281是一款多功能的高精度數(shù)據(jù)采集板卡，具有16路AI、2路AO、24路DIO、兩個32位計數(shù)器/定時器以及模擬和數(shù)字觸發(fā)，可實現(xiàn)精密傳感器的測量數(shù)據(jù)傳送。模擬量輸入為8路差分通道或16路單端通道，ADC分辨率為18位，采樣率單通道最大為625 kS/s，多通道最大為500 kS/s，最大電壓范圍為±10 V，最小電壓范圍為±0.1 V，采用低通濾波信號調(diào)理。模擬量輸出為2通道輸出，DAC分辨率為16位，更新率單通道最大為2.86 MS/s，雙通道為2.00 MS/s，最大電壓范圍為±10 V，最小電壓范圍為±1 V，電流驅(qū)動信號為5 mA。

C2扭環(huán)式稱重傳感器靈敏度為2 mV/V，激勵電壓標稱范圍為0.5～10V，接入DAQ設備中需進行信號調(diào)理。傳感器信號經(jīng)由隔離應變輸入模塊放大，以差分傳輸進入NI SCB-68A屏蔽端子連接模塊接入PCI-6281信號采集卡AI輸入端。信號經(jīng)分析處理后再經(jīng)由SCB-68A屏蔽模塊輸出到信號隔離器作信號調(diào)理，信號傳遞到液壓伺服閥控制油缸動作，其流程圖如圖1所示。

圖1 負荷控制流程圖

功率法測量選取日本YOKOGAWA WT310EH數(shù)字功率計進行測量，該功率計為單相輸入/大電流型，輸入電流量程可達40 A，基本功率測量精度為讀數(shù)的0.1% +量程的0.05%，頻率范圍為DC和0.1～20 kHz，采樣率約為100 kS/s，數(shù)據(jù)更新率最快可到100 ms，可同時測量U、I、P、頻率、功率因數(shù)和諧波等功耗參數(shù)。通訊接口標配有USB接口、GP-IB/RS-232，可選配以太網(wǎng)接口，其中USB接口支持USBTMC協(xié)議，此處選用USB通訊接口與LabVIEW上位機連接。

3 軟件設計

3.1 USB接口通訊

NI-VISA是一種用來與各種儀器總線進行通訊的高級應用編程接口，利用VISA函數(shù)可對USB、GPIB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試[2]。NI-VISA有兩類函數(shù)可支持USB通訊，分別為USB INSTR設備和USB RAW設備。USBTMC設備符合VISA USB INSTR類函數(shù)能夠理解的協(xié)議，通訊時無需配置NI-VISA，只需使用“VISA Open”、“VISA Write”、“VISA Read”、“VISA Close”功能即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[3]。“VISA Open”對應USB INSTR接口時VISA資源名稱字符串的語法為：USB[board]::manufacturer ID::mode code::serial number[::USB interface number][::INSTR]，各參數(shù)值可在NI MAX軟件設備和接口USB配置界面內(nèi)的Open VISA Test Panel里查得。每個USB設備都有各自的指令集，WT310EH數(shù)字功率計的指令集有16大類，根據(jù)系統(tǒng)原理需調(diào)用其MEASure Group和NUMeric Group指令設置和讀取數(shù)據(jù)。依照功率計定義的指令語法要求，利用指令：MEASure:AVERaging設定均值算法，指令：NUMeric:FORMat設置數(shù)據(jù)格式，指令：NUMeric:NORMal指定讀取的數(shù)據(jù)，其VI程序框圖如圖2所示。

圖2 功率計數(shù)據(jù)采集程序圖

3.2 PCI接口通訊

針對PCI數(shù)據(jù)采集板卡，NI有專門的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動軟件DAQmx，它提供了一系列API函數(shù)供編寫數(shù)據(jù)采集程序時調(diào)用[4]。執(zhí)行輸入信號的采集或產(chǎn)生輸出信號首先需要創(chuàng)建一個任務，根據(jù)需要配置通道、定時及觸發(fā)屬性[5]，啟動任務后由DAQmx Read和DAQmx Write進行數(shù)據(jù)采集傳遞。根據(jù)載荷測量的硬件結構配置虛擬模擬量輸入通道口，現(xiàn)有兩個測試工位分別對應采集卡的Dev1/ai0和Dev1/ai1，指定測量電壓的限制范圍±10V，輸入接線端配置為差分模式，給通道口分別命名電壓_0和電壓_1，定義所使用的單位Volts。使用DAQmx Timing采樣時鐘配置要獲取的采樣數(shù)，創(chuàng)建所需的緩沖區(qū)，并通過DAQmx Read讀取指定任務中的采樣，現(xiàn)任務中包含兩個虛擬模擬量輸入通道，每個通道均讀取多個浮點采樣。同樣載荷調(diào)節(jié)輸出任務利用DAQmx Creat Virtual Channel和DAQmx Write函數(shù)進行相關配置，其VI程序框圖如圖3、4所示。

圖3 負荷傳感器數(shù)據(jù)讀取程序圖

圖4 負荷控制輸出程序圖

3.3 Ethernet接口通訊

在Beckhoff TwinCAT系統(tǒng)中，各個軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS完成?；赥CP/IP的TwinCAT ADS協(xié)議，可以實現(xiàn)PLC之間及PLC與第三方應用程序之間的數(shù)據(jù)通訊[6]。通常LabVIEW與TwinCAT進行數(shù)據(jù)交換主要有兩種形式，一是通過動態(tài)鏈接庫(TcAdsDll.dll)文件，二是通過OCX控件(AdsOcx.ocx)，本文采用ADS-DLL的方式通訊連接。利用函數(shù)庫中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(Call Library Function Node)可調(diào)用TcAdsDll.dll文件，在調(diào)用庫函數(shù)配置對話框內(nèi)可以選取需調(diào)用的函數(shù)名以及指定調(diào)用函數(shù)的輸入?yún)?shù)類型和返回值的類型[7]。在TcAdsDll動態(tài)鏈接庫中常用的函數(shù)有以下幾種：AdsPortOpen，用于建立TwinCAT信息路由器連接；AdsSyncWriteReq，同步寫數(shù)據(jù)到一個ADS設備；AdsSyncReadReq，從ADS服務器中同步讀數(shù)據(jù)；AdsPortClose，關閉TwinCAT信息路由器的連接。參照各相關函數(shù)的結構定義，其中AdsSyncWriteReq調(diào)用庫函數(shù)的設置如下圖5所示。

圖5 AdsSyncWriteReq調(diào)用庫函數(shù)設置

其中pAddr包含在ADS服務器中AmsNetld值和AdsPort值，AmeNetld是 TCP/IP地址的擴展，默認為在IP基礎上增加.1.1，也可以進行修改。每臺ADS設備的AdsPort都是各不相同且固定不變的，AdsPort值的分配表如表1所示。

表1 AdsPort值分配表

IndexGroup為變量所屬的寄存器類型，Inde xOffset為變量的偏移地址，在PLC中為該變量的地址，在PLC中常用的寄存器類型賦值分配表如表2所示。

表2 寄存器類型賦值分配表

通過調(diào)用庫函數(shù)實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)通訊的子VI程序框圖如圖6所示。

圖6 Beckhoff PLC數(shù)據(jù)通訊子程序圖

4 實驗驗證

在現(xiàn)場已有的機械構架上進行試驗，通過前面板設計的人機互動界面波形圖可查看各通道信號數(shù)據(jù)，如圖7和圖8所示分別為讀取的負荷、動半徑與功率、電流信號曲線，其中動半徑信號是通過Beckhoff PLC傳遞。根據(jù)試驗曲線可見數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)穩(wěn)定，信號通訊正常有效。

圖7 負荷、動半徑曲線圖

圖8 功率、電流曲線圖

5 結束語

本文根據(jù)實際應用需求介紹了以LabVIEW軟件為上位機開發(fā)基礎，利用計算機自帶的多通道接口實現(xiàn)與功率計、負荷傳感器、伺服閥及PLC之間的數(shù)據(jù)通訊與控制。通過實際測試，運行結果穩(wěn)定可靠，驗證了程序的有效性?；贚abVIEW編寫的VI子程序，具有良好的移植性，對相關硬件設備的數(shù)據(jù)通訊應用具有一定的參考價值。除了上述使用的幾種通訊方式，進一步探索與不同硬件設備之間的通訊應用，作為測量系統(tǒng)的基礎對相關設備的研發(fā)具有非常重要的意義。