基于虛擬儀器AVR單片機的功率測試系統(tǒng)的研發(fā)

袁虎成　呂鳳玉　賀成柱

(甘肅省機械科學研究院，甘肅 蘭州　730030)

基于虛擬儀器AVR單片機的功率測試系統(tǒng)的研發(fā)

袁虎成呂鳳玉賀成柱

(甘肅省機械科學研究院，甘肅 蘭州730030)

摘要：對農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)功耗測試方法進行了研究。為得到不同工作載荷下的功耗，開發(fā)了一套結構緊湊、成本低、可置于農(nóng)機駕駛室的功率測試系統(tǒng)。硬件上，采用高精度扭矩轉速傳感器作為前端采集設備， AT90CAN128嵌入式單片機系統(tǒng)作為信號采集器，通過9芯串口上傳數(shù)據(jù)并存儲在工業(yè)平板電腦中。軟件上，以符合ANSI標準的C語言開發(fā)工具ICCAVR編寫信號采集器程序，用LabWindows/CVI開發(fā)上位機通信與數(shù)據(jù)處理程序，形成一套完整的多點功率實時測試系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，系統(tǒng)可靠性高，可廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械中。

關鍵詞：虛擬儀器嵌入式單片機C編譯器數(shù)據(jù)采集器扭矩傳感器功率測試串口通信LabVIEWPLC

0引言

目前，農(nóng)業(yè)機械作為典型的機電液一體化產(chǎn)品，具有專業(yè)化程度和智能化程度高等特點，產(chǎn)品設計開發(fā)前重要參數(shù)的確定將直接影響產(chǎn)品性能的好壞。產(chǎn)品整機空載功率、不同工作載荷的帶載功率及關鍵部件功率配比等參數(shù)，是各種農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品設計開發(fā)、性能分析及優(yōu)化改進等環(huán)節(jié)必不可少的考慮因素[1-2]，也是設備故障分析與解除的重要依據(jù)。農(nóng)業(yè)機械功率主要通過機械傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)兩種方式消耗。由于各自測量原理不同，導致功耗測試方法也不同。從測量儀器開發(fā)環(huán)境來看，由于虛擬儀器技術和智能采集器技術的飛速發(fā)展，文獻[3-5]采用可視化圖形編程語言LabVIEW，完成旋轉機械扭矩、轉速及功率等數(shù)據(jù)的采集。NI的另一款開發(fā)平臺LabWindows/CVI 是以標準C為基礎編程語言，功能及靈活性優(yōu)于LabVIEW。

在硬件設備方面，文獻[6]以PLC為控制單元，文獻[7]用USB數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)功率等參數(shù)的采集。與PLC和數(shù)據(jù)采集卡相比，新型單片機系統(tǒng)具有功能強、功耗低和價位低等優(yōu)點[8]。

在通信方面，由于無線局域網(wǎng)絡技術和虛擬儀器技術的結合，文獻[9]開發(fā)了基于網(wǎng)絡化虛擬儀器功率測試系統(tǒng)；串口通信具有可靠性高、程序編寫簡單及硬件接口簡單等優(yōu)勢[10]，適用于農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)的惡劣環(huán)境。

綜上分析，為獲得農(nóng)業(yè)機械在不同工況下收獲不同作物時消耗的總功率及各部件的功耗比，特別是收獲機出現(xiàn)械物料堵塞時的功耗,本文采用一種有效、可靠的軟硬件設備及通信方式，開發(fā)一套體積小、成本低、現(xiàn)場適用性強的功率測試系統(tǒng)。在不改變農(nóng)業(yè)機械外形結構、不增加農(nóng)業(yè)機械設計成本原則下，將系統(tǒng)固定在駕駛室，方便機手實時觀察設備的運行情況，也為農(nóng)戶評價不同設備性能及功耗提供準確的參數(shù)。

1系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集器和工業(yè)平板電腦，如圖1所示。扭矩傳感器作為前端采集設備，現(xiàn)場采集扭矩和轉速信號。工業(yè)平板電腦是上位機，實時顯示扭矩值、轉速值和功率值，動態(tài)實時顯示扭矩、轉速曲線，可實現(xiàn)上下限報警顯示，具有數(shù)據(jù)存盤功能。數(shù)據(jù)采集器是中間的傳輸部件。

圖1　系統(tǒng)硬件組成結構圖

1.1扭矩傳感器

扭矩傳感器采用應變片電測技術測量扭矩，采用磁電碼盤的方法進行轉速測量。根據(jù)功率計算公式P= (Tn)/9 550可知，通過測量扭矩和轉速，可得到功率值。在田間作業(yè)時，農(nóng)業(yè)機械驅(qū)動方式有兩種，一種是自走式的，即自身帶有動力裝置；還有一種是懸掛式的，即通過拖拉機提供動力。不管在哪種驅(qū)動方式的設備上測量扭矩，首先要滿足扭矩測量的條件，扭矩傳感器安裝位置的兩端都要傳遞動力。

系統(tǒng)采用北京中瑞能公司生產(chǎn)的ZRN506扭矩傳感器作為前端采集設備，具體參數(shù)為：量程3 000 Nm、精度0.5%FS、頻率響應100 μs，通過通徑DN50的法蘭安裝在農(nóng)機設備上。

1.2數(shù)據(jù)采集器

采集器采用ARM嵌入式單片機系統(tǒng)。AT90CAN128芯片具有強大的CAN通信功能，在車輛控制器中應用廣泛。其將8位CPU與系統(tǒng)自編程Flash 融合在一個芯片上，采集速率比常規(guī)RISC單片機快10倍,代碼效率更高，且功率損耗低、處理速度快。AT90CAN128作為一個高效的單片機，可為嵌入式控制應用提供一種極為靈活且有效的解決方案。采集器接線端子采用標準的5芯航空插頭連接，各端口用途及定義如圖2所示。

圖2　采集器接線端口定義圖

1.3上位機

采集器連接到上位機并與之通信，采用RS-232傳輸標準，接口連接如圖3所示。

圖3　采集器與上位機連接圖

信息以ASCII碼形式實現(xiàn)，通過LabWindows/CVI平臺開發(fā)計算機的上位機程序。計算機按確定地址向采集器發(fā)出命令，等候采集器回答。如果沒收到回答，則超時中止，將控制轉回上位機。上位機通過讀取指令從采集器讀取測量值、報警狀態(tài)、控制值、參數(shù)值。為避免通信沖突，所有的操作均受上位機控制。當采集器不進行發(fā)送時，都處于偵聽方式。

采集器與上位機采用標準的RS-232協(xié)議通信，數(shù)據(jù)格式為10位：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1位停止位。波特率為9 600 bit/s，采集器地址與上位串口通信地址一致，回答延遲不大于500 μs，保證高效率的數(shù)據(jù)傳送。采集器對其他命令的回答延遲不大于200 ms。

2系統(tǒng)軟件設計

2.1上位機程序設計

LabWindows/CVI 是美國NI 公司推出的交互式C 語言開發(fā)平臺，其將功能強大、使用靈活的C 語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機結合，為系統(tǒng)檢測、自動環(huán)境測試、數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控等應用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)功能模塊組成如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)功能模塊組成框圖

系統(tǒng)利用LabWindows/CVI的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)功能，采用模塊化設計思想，將上位機軟件分為通信端口設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等部分。本軟件人機界面友好、操作方便。

2.1.1通信參數(shù)設置

利用串口實現(xiàn)通信時，首先應該打開發(fā)送端和接收端串口，并對其參數(shù)進行設置，然后利用串口讀寫函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，最后關閉串口。

部分程序如下。

//打開并配置串口

OpenComConfig (1,"",9600,0,8,1,512,512);

//禁止硬件握手

SetCTSMode (1,LWRS_HWHANDSHAKE_OFF);

//清空串口輸入輸出緩沖區(qū)

FlushInQ (1);

FlushOutQ (1);

2.1.2數(shù)據(jù)采集

按照通信協(xié)議，每隔1 s發(fā)送一次讀寫串口命令，部分程序如下。

//讀取扭矩指令

Fmt(buffer1,"%s","#0100 ");

//發(fā)送讀取扭矩指令到串口輸入緩沖區(qū)

ComWrt (1,buffer1,sizeof(buffer1));

Delay(0.01);

inputquenelength=GetInQLen(1);

//讀串口輸出緩沖區(qū)的返回值

bytesread = ComRd (1,buffer,inputquenelength);

2.1.3數(shù)據(jù)顯示與存儲

實時采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)窗口顯示，并在曲線圖上形成數(shù)據(jù)動態(tài)曲線，以文本形式存儲在計算機上。

SetCtrlVal (panelHandle,PANEL_NUMERIC,value);

temp[0]=value;

PlotStripChart (panelHandle,PANEL_STRIPCHART,&value,1,0,0,VAL_DOUBLE);

ArrayToFile ("LFY.txt",temp,VAL_DOUBLE,3,1,

VAL_GROUPS_TOGETHER,VAL_GROUPS_AS_ROWS,

VAL_CONST_WIDTH,10,VAL_ASCII,VAL_APPEND);

2.2采集器程序設計

ICCAVR作為第三方C編譯器，符合ANSI標準的C語言，是開發(fā)MCU程序的工具之一。由于AT90CAN128硬件結構的原因，在對其I/O口操作時，需通過端口輸入寄存器PINx與端口輸出寄存器PORTx來實現(xiàn)。

//設置串口通信參數(shù)

void uart0_init(void)

{

UCSR0B = 0x00; //disable while setting baud rate

UCSR0A = 0x00;

UCSR0C = 0x06;

//設置波特率為9 600 bit/s

UBRR0L = 0x33; //set baud rate lo

UBRR0H = 0x00; //set baud rate hi

UCSR0B = 0x98;

}

//發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

void uart0_rx_isr(void)

{

unsigned char temp=0;

temp=UDR0;

PORTC^=0x80;

}

void putchar0(char c)

{

while ((UCSR0A & 0x20)==0);

UDR0=c;

}

3系統(tǒng)應用

3.1實驗內(nèi)容

2014年，在甘肅省河西地區(qū)某青貯收割機上安裝了本文設計的功率測試系統(tǒng)，在不同地塊、不同種植密度的玉米地進行了青貯玉米收獲功率消耗實驗。當作物密度和割幅不改變時，聯(lián)合收獲機的喂入量與行走速度成比例關系。改變行走速度，得到不同喂入量，從而改變工作負載，得到不同行走速度對功率的影響，獲得收獲機部件在不同工作載荷下所消耗的功率及占總功率的百分比。測試系統(tǒng)田間實驗連接如圖5所示。

圖5　測試系統(tǒng)田間實驗連接圖

3.2實驗數(shù)據(jù)

系統(tǒng)按照3種工況自動記錄數(shù)據(jù)，拖拉機工作收獲速度V=3.04 km/h，數(shù)據(jù)分析結果如表1所示。此青貯玉米收獲機的設備功率消耗部件主要包括：收割臺、夾持喂入裝置功率消耗、切碎裝置等。通過實驗測得各部件的功率耗及其百分比，其中切碎裝置功耗百分比均值為80%。

表1　試驗數(shù)據(jù)均值記錄表

4結束語

采用虛擬儀器技術和串口通信技術，實現(xiàn)了集自動采集、報警、存儲功能為一體的功率測試系統(tǒng)。通過采用 AVR內(nèi)核的ARM處理器,集成自主開發(fā)功率信號采集器，采用串口通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳送，實現(xiàn)了多路功率信號采集系統(tǒng)。經(jīng)測試表明，系統(tǒng)達到設計預期要求,滿足實際需要,可廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械中。

參考文獻

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Research and Development of the Power Testing System Based on Virtual Instrument AVR Microcontroller

Abstract：The test methods of power consumption in field operations of agricultural machinery are studied.In order to measure the power consumption under different operating load,a compact,low cost power testing system is developed,which can be placed in the cab of agricultural machinery.For the hardware,the high precision torque and speed sensor is used as the front end collection device,the embedded microcontroller system AT90CAN128 is used as the signal acquisition unit; the data are uploaded and stored into industrial tablet through 9-core serial port.For the software,the signal acquisition program is written with C language developing tool ICCAVR that conforms ANSI standard,The communication and data processing programs in host computer is developed using LabWindows/CVI; thus the integral real time testing system for multiple points of power is formed.The test shows that the system is highly reliable and can be widely used in agricultural machinery.

Keywords:Virtual instrumentEmbedded microcontrollerC compilerData collectorTorque sensorPower testSerial port communicationLabVIEWPLC

中圖分類號：TH-3;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605016

蘭州市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科技計劃基金資助項目(編號：2014-RC-53)。

修改稿收到日期：2015-09-28。

第一作者袁虎成(1976-)，男，1996年畢業(yè)于太原理工大學自動化專業(yè)，獲學士學位，工程師；主要從事自動化儀表及系統(tǒng)的開發(fā)和研究工作。