發(fā)布時(shí)間：2019-01-07所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對(duì)拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)中，被試車與負(fù)荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機(jī)動(dòng)性差的問題，采用無(wú)線通信技術(shù)開發(fā)了兩車多機(jī)通信功能，增強(qiáng)了試驗(yàn)車輛機(jī)動(dòng)性。對(duì)自制的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了模擬量通道檢測(cè)，牽引力通道信號(hào)最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度
摘要：針對(duì)拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)中，被試車與負(fù)荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機(jī)動(dòng)性差的問題，采用無(wú)線通信技術(shù)開發(fā)了兩車多機(jī)通信功能，增強(qiáng)了試驗(yàn)車輛機(jī)動(dòng)性。對(duì)自制的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了模擬量通道檢測(cè)，牽引力通道信號(hào)最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度為0.06%。靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：在良好通信條件下，系統(tǒng)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，最大有效傳輸距離為520m。
動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明：在兩車相距15m范圍內(nèi)，性能測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、交換及管理。被試拖拉機(jī)在無(wú)線通信與有線通信測(cè)試條件下，試驗(yàn)性能參數(shù)最大相對(duì)誤差為0.98%，此誤差在傳感器精度范圍內(nèi)。靜動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：牽引性能測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收率為97.36%，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù),拖拉機(jī),牽引性能測(cè)試,通信協(xié)議,負(fù)荷車
牽引特性試驗(yàn)是拖拉機(jī)的重要性能及其最終評(píng)價(jià)依據(jù)。牽引性能測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)牽引特性進(jìn)行精確測(cè)量[1]，測(cè)試系統(tǒng)包括被試車子系統(tǒng)和負(fù)荷車子系統(tǒng)。
21世紀(jì)前，美國(guó)內(nèi)布拉斯加拖拉機(jī)實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究所、日本農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、中國(guó)洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所及美國(guó)迪爾公司等國(guó)內(nèi)外少數(shù)拖拉機(jī)試驗(yàn)站和生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，但由于傳感器技術(shù)和測(cè)試技術(shù)相對(duì)落后，負(fù)荷車與被試車之間均采用有線連接[2]。
進(jìn)入21世紀(jì)，對(duì)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)的研究主要集中在負(fù)荷車功率的提升、吸功裝置與負(fù)荷車動(dòng)力的匹配、先進(jìn)控制算法在負(fù)荷車加載系統(tǒng)中的應(yīng)用、負(fù)荷車傳動(dòng)系統(tǒng)布置及負(fù)荷車多功能性的開發(fā)方面[3-4]。廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院研發(fā)的300kN負(fù)荷車，在負(fù)荷車與被試車之間仍沿用有線連接[5]。
中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司和國(guó)家拖拉機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)負(fù)荷車的性能進(jìn)行了升級(jí)，但對(duì)負(fù)荷車與被試車之間信息傳輸方式的研究未見報(bào)道[6-7]。有線傳輸雖然在數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、安全性及成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[8]，但被試車與負(fù)荷車之間繁雜的有線連接，降低了測(cè)試系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性，阻礙了系統(tǒng)功能擴(kuò)展。布線質(zhì)量也會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作可靠性產(chǎn)生較大影響。無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單，設(shè)備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可擴(kuò)展性好[9-11]，很大程度上可改善拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)狀。
因此，本文將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)短距離無(wú)線傳輸，利用嵌入式技術(shù)開發(fā)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)終端，使系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，測(cè)量精準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試條件的變化適應(yīng)性增強(qiáng)。
1無(wú)線通信方案設(shè)計(jì)
拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)中負(fù)荷車與被試車最大間距為15m，系統(tǒng)采樣頻率為10Hz。試驗(yàn)環(huán)境為空曠試驗(yàn)場(chǎng)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)覆蓋整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，包括監(jiān)視器、加載控制器及數(shù)據(jù)采集器，因此，該系統(tǒng)屬于短距離低頻率兩車多機(jī)通信。
被試車為低速牽引類工程車輛，負(fù)荷車由某型號(hào)拖拉機(jī)改裝而成。基于ModBus網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)視器及加載控制器間采用主機(jī)廣播半雙工通信方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，可以支持247個(gè)遠(yuǎn)程從機(jī)，且具有良好的擴(kuò)展性[12-14]。
該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信距離短，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，因此，發(fā)射模塊采用高斯頻移鍵控(Gaussfrequencyshiftkeying，GFSK)調(diào)制方式，具有良好的抗噪抗衰性。主、從機(jī)電源為車載電源和逆變電源，能量充足，因此，發(fā)射模塊的發(fā)射功率能夠確保信號(hào)準(zhǔn)確傳輸。
1.1被試車子系統(tǒng)
拖拉機(jī)試驗(yàn)牽引特性指被試車在一定路面條件下穩(wěn)定工作時(shí)，滑轉(zhuǎn)率、車速、牽引功率、油耗量和牽引效率隨牽引力的變化規(guī)律。因此，被試車子系統(tǒng)主要對(duì)被試車進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、理論車速、實(shí)際車速及牽引力。數(shù)據(jù)采集器將各傳感器信號(hào)采集并發(fā)送至上位機(jī)，監(jiān)視器Ⅰ接收上位機(jī)指令，顯示試驗(yàn)狀態(tài)、測(cè)試擋位及操作命令，便于被試車駕駛員做出相應(yīng)的操作。
有1個(gè)模擬信號(hào)通道和5個(gè)數(shù)字信號(hào)通道。牽引力通道內(nèi)置信號(hào)調(diào)理放大電路，通過(guò)12位模數(shù)(analogtodigital，AD)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，測(cè)量誤差小于0.1%，采樣頻率不小于30kHz。車速通道外接全球定位系統(tǒng)(globalpositionsystem，GPS)車速傳感器，測(cè)速周期小于0.5s，誤差小于0.1%，每脈沖4mm標(biāo)定，連續(xù)測(cè)量距離不小于67km。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通道外接晶體管晶體邏輯(transistortransistorlogic，TTL)電平，測(cè)速周期小于0.5s，誤差小于0.1%。左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)數(shù)通道與油耗通道均外接TTL電平，具備加減計(jì)數(shù)和防抖動(dòng)功能，連續(xù)正向計(jì)數(shù)不小于1.6×107個(gè)脈沖，不會(huì)發(fā)生溢出。
1.2負(fù)荷車子系統(tǒng)
負(fù)荷車子系統(tǒng)提供被試車需要的牽引載荷，通過(guò)動(dòng)力輸出軸加裝電渦流緩速器實(shí)現(xiàn)可控加載。負(fù)荷車加裝設(shè)備有逆變器、直流穩(wěn)壓電源、電渦流緩速器及其控制裝置等。上位機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、顯示、記錄中心，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)和操作命令發(fā)送至監(jiān)視器和加載控制器，并接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。直流穩(wěn)壓電源由變壓器、濾波器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成，接收加載控制器的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)電渦流緩速器的輸入電壓，改變電渦流緩速器的加載轉(zhuǎn)矩。逆變器為直流穩(wěn)壓電源、上位機(jī)及顯示器等設(shè)備供電。監(jiān)視器Ⅱ通過(guò)無(wú)線通信模塊接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，便于駕駛員對(duì)負(fù)荷車做出相應(yīng)的操作。
2多機(jī)無(wú)線通信硬件設(shè)計(jì)
上位機(jī)為筆記本電腦，由兩個(gè)無(wú)線通信模塊組成網(wǎng)關(guān)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口連接。監(jiān)視器及加載控制器采用工業(yè)級(jí)顯示器，配置WindowsCE操作系統(tǒng)，通過(guò)RS232串口與無(wú)線通信模塊連接。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)串口與外置無(wú)線通信模塊連接。
發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀在小流量的情況下會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，造成計(jì)數(shù)不準(zhǔn)或計(jì)數(shù)器溢出，因此，設(shè)計(jì)了加/減計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，提高了測(cè)量精度。采用嵌入式技術(shù)對(duì)監(jiān)視器及加載控制器外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定工作。為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采集器各采集通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性、準(zhǔn)確性及采集精度，對(duì)各通道進(jìn)行了計(jì)量。以牽引力采集通道為計(jì)量通道，對(duì)模擬量轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。
選取0～5V為測(cè)量量程，在量程內(nèi)設(shè)定20個(gè)測(cè)量點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集器將預(yù)設(shè)電壓值無(wú)線發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)視器Ⅱ。牽引力采集通道檢測(cè)最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度最大誤差與量程的比值為0.06%。
3無(wú)線通信協(xié)議制定及軟件開發(fā)
基于RS232串行通信方式，制定了上位機(jī)與監(jiān)視器Ⅰ、監(jiān)視器Ⅱ和監(jiān)視器Ⅲ之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。上、下位機(jī)采用主從結(jié)構(gòu)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，上位機(jī)采用查詢方式、下位機(jī)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。
�、偕衔粰C(jī)發(fā)送交握信號(hào)(0xAA)，等待應(yīng)答碼。
②下位機(jī)收到交握信號(hào)后，若信號(hào)正確，則發(fā)送0xAA作為應(yīng)答，并等待接收數(shù)據(jù)包;否則，發(fā)送0xEE作為應(yīng)答，等待接收下一循環(huán)交握信號(hào)。
�、凵衔粰C(jī)收到應(yīng)答碼后，若交握成功，則發(fā)送38字節(jié)的數(shù)據(jù)包，等待接收應(yīng)答碼;若交握失敗，則重新聯(lián)絡(luò)，當(dāng)連續(xù)10次交握失敗，輸出提示信息，通信結(jié)束。
④下位機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，則返回應(yīng)答碼0xBB;若數(shù)據(jù)校驗(yàn)有誤，則返回應(yīng)答碼0xEE，通信結(jié)束。
⑤上位機(jī)收到應(yīng)答碼后進(jìn)行判斷，若數(shù)據(jù)傳送成功，則本次通信結(jié)束;若通信不正確，則重新交握�；诙ㄖ频臒o(wú)線通信協(xié)議，以VS2005軟件為開發(fā)工具，在VB.NET編程環(huán)境下利用SerialPort控件實(shí)現(xiàn)了多機(jī)無(wú)線通信功能。開發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
上位機(jī)每100ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包括廣播地址、功能碼、操作碼、32byte數(shù)據(jù)及循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclicredundancycheck，CRC)2byte。該軟件除實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)程外，還可完成系統(tǒng)設(shè)置、傳感器設(shè)置、牽引特性圖坐標(biāo)設(shè)置、牽引力標(biāo)定、牽引特性曲線監(jiān)督及通信參數(shù)設(shè)置等任務(wù)。其中，通信參數(shù)設(shè)置功能選項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)采集器和各監(jiān)視器無(wú)線通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，上位機(jī)選取通信端口進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)匹配。
4無(wú)線通信性能試驗(yàn)與分析
為了檢驗(yàn)拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)中無(wú)線通信功能在道路試驗(yàn)中的實(shí)用性與可靠性，進(jìn)行了無(wú)線通信性能靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和靜動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)。
4.1靜態(tài)試驗(yàn)
在空曠地帶對(duì)開發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)。無(wú)線通信模塊工作頻率設(shè)置為433MHz，接收靈敏度為-124dBm，發(fā)射功率為28dBm，參數(shù)設(shè)置信道為16，串口波特率為9600bit/s，空中波特率為9600bit/s。
多名測(cè)試人員手持上位機(jī)與各下位機(jī)，設(shè)備離地高度為1.5m，測(cè)試距離由近漸遠(yuǎn)，上位機(jī)每隔1s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，直至下位機(jī)接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)果表明：在520m最大有效接收范圍內(nèi)，各下位機(jī)均能準(zhǔn)確穩(wěn)定接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。
4.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)
將開發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備嵌入拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)，無(wú)線通信模塊參數(shù)設(shè)置保持不變，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3871.9—93對(duì)農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)牽引試驗(yàn)的要求，進(jìn)行動(dòng)態(tài)牽引試驗(yàn)。試驗(yàn)路面為混凝土路面，氣溫為20℃，氣壓為100.1kPa，濕度為45%，牽引點(diǎn)高度580mm，前、后輪輪胎氣壓均為100kPa，拖拉機(jī)帶配重。
對(duì)主要工作擋位低Ⅱ擋、低Ⅲ擋、低Ⅳ擋進(jìn)行最大牽引功率試驗(yàn)，每次加載試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)間大于30s(即保證穩(wěn)定距離大于25m)，先進(jìn)行空載荷試驗(yàn)，隨后多次逐級(jí)加載，加載級(jí)數(shù)不少于12級(jí)，直至拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率達(dá)到允許滑轉(zhuǎn)率為止。由數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制被試車試驗(yàn)牽引特性圖。
分別對(duì)被試車低Ⅲ擋時(shí)無(wú)線通信和有線通信測(cè)試得到的速度v、滑轉(zhuǎn)率δ、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne、牽引功率PT、燃油耗GT、燃油消耗率gT及牽引力F取平均值，得到表3所示的測(cè)量值對(duì)比結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)采用無(wú)線通信與有線通信得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值最大誤差出現(xiàn)在燃油耗，最大相對(duì)誤差值為0.98%，此誤差由發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀精度(0.5%)造成，與測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)比分析說(shuō)明：測(cè)試系統(tǒng)無(wú)線通信功能正常，數(shù)據(jù)交換和管理穩(wěn)定，沒有數(shù)據(jù)損壞或丟失現(xiàn)象發(fā)生，測(cè)試效率明顯提升。
4.3靜動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)
在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，負(fù)荷車與被試車均存在隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)改變無(wú)線模塊天線的指向，從而對(duì)無(wú)線通信的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[15]。為驗(yàn)證隨機(jī)振動(dòng)對(duì)無(wú)線通信穩(wěn)定性的影響，利用無(wú)線模塊設(shè)置與通信軟件，設(shè)置了靜動(dòng)態(tài)對(duì)比試驗(yàn)。上位機(jī)無(wú)線通信模塊發(fā)送峰值為2.0V、頻率為1Hz的正弦波，下位機(jī)無(wú)線通信模塊接收，以接收率評(píng)價(jià)無(wú)線通信的穩(wěn)定性(接收率定義為下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)與上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的比值)。
靜態(tài)試驗(yàn)中，上位機(jī)無(wú)線通信模塊與下位機(jī)無(wú)線通信模塊間距為15m，即負(fù)荷車與被試車最大間距為15m。靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收率為100%，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收率為97.36%，說(shuō)明在動(dòng)態(tài)測(cè)試中負(fù)荷車與被試車的振動(dòng)對(duì)無(wú)線通信的穩(wěn)定性有一定影響，但接收率均在95%以上，能夠滿足通信穩(wěn)定性的要求。在拖拉機(jī)牽引特性試驗(yàn)中，應(yīng)盡量減少負(fù)荷車與被試車的振動(dòng)，以提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性。
5結(jié)論
將拖拉機(jī)測(cè)試技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)試軟件、下位機(jī)數(shù)據(jù)采集器及監(jiān)視器無(wú)線通信功能。采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行兩車多機(jī)通信，改善了系統(tǒng)物理連接，增強(qiáng)了試驗(yàn)車輛機(jī)動(dòng)性。靜態(tài)試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)線通信性能良好，在設(shè)定條件下，數(shù)據(jù)最大有效接收距離可達(dá)520m，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收率為97.36%。由于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，因此，為進(jìn)一步研究虛擬儀表技術(shù)在拖拉機(jī)牽引特性測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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推薦期刊：《工程機(jī)械》主管單位：天津工程機(jī)械研究院，主辦單位：天津工程機(jī)械研究院，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：12-1328/TH，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：1000-1212，所設(shè)欄目：微機(jī)應(yīng)用與智能化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)計(jì)算、專題綜述、液壓液力、工藝材料、使用維修。
