車輛驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)軟件和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

王中應(yīng)

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)院，福建 福州 350003）

一、車輛驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)任務(wù)及分析

車輛驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)軟件主要的任務(wù)包括:

（一）試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制：包括對大量順序動(dòng)作的控制。

(二）數(shù)據(jù)的記錄與處理：主要包括對驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)時(shí)，傳感器輸出脈沖做出詳細(xì)的記錄，并根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋各個(gè)性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。

(三）輔助管理功能：包括試驗(yàn)過程的監(jiān)控、報(bào)警，檢測參數(shù)的設(shè)置、系統(tǒng)管理、檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)的保存及管理和打印試驗(yàn)報(bào)表等。

（四）提供良好的人機(jī)交互環(huán)境：友好、宜操作的界面是軟件必不可少的。

綜合分析，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)包括兩部分內(nèi)容：

1、是應(yīng)用程序，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

2、是人機(jī)界面，即為應(yīng)用程序建立良好的使用操作環(huán)境。

二、車輛驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)的軟件系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:

（一）系統(tǒng)管理包括用戶管理、I/O設(shè)備管理、系統(tǒng)標(biāo)定、重新登錄、修改密碼、退出等功能。用戶管理實(shí)現(xiàn)對操作員的管理，增加或刪除用戶；I/O設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)使用的接口板卡對應(yīng)硬件設(shè)置參數(shù)(基地址、中斷號(hào)等)的修改。

（二）軟件模塊包括數(shù)據(jù)采集板卡驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及油溫控制模塊等。

（三）檢測參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn))設(shè)置：利用該部分可以對檢測參數(shù)及檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整和管理。

（四）檢測檔案：檢測的結(jié)果和數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)文件的形式保存，利用檢測檔案可以查詢保存的單次檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行多次檢測的統(tǒng)計(jì)分析，刪除、轉(zhuǎn)存、打印檢測記錄等。

（五）狀態(tài)查看，包括查看當(dāng)前參數(shù)、查看系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)、控制面板狀態(tài)、動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)等。

（六）檢測：主要是疲勞檢測，實(shí)現(xiàn)對檢測的自動(dòng)控制、檢測、信號(hào)的記錄、處理、計(jì)算及檢測結(jié)果的顯示、保存；對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出結(jié)論；并且可以查詢制動(dòng)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的檔案，包括對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，如查看、刪除、打印等。

（七）故障診斷和報(bào)警：監(jiān)視試驗(yàn)臺(tái)及被試驅(qū)動(dòng)橋的工作情況，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋破壞前警報(bào)、破壞后自動(dòng)停機(jī)，并能對被試驅(qū)動(dòng)橋的破壞形式進(jìn)行分析和預(yù)測，意外緊急情況急停、聲光警示等。

（八）幫助，提供聯(lián)機(jī)幫助以及疑難問題解答。包括索引、關(guān)于、系統(tǒng)信息等等幾部分。

三、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其工作應(yīng)可靠，測量精度要高。該系統(tǒng)主要對各子系統(tǒng)的開關(guān)量信號(hào)、車橋的輸入轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、加載壓力、潤滑油油溫、冷卻水溫度、以及其他重要的信息進(jìn)行采集。這些信號(hào)的及時(shí)獲取便于控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)總體運(yùn)行，同時(shí)為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的監(jiān)測與分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

工控機(jī)由于其具有很高的可靠性和面向I/O的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場的直接控制。故試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)以工控機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)人與測試系統(tǒng)的信息交換、測試數(shù)據(jù)的分析處理及控制指令的發(fā)出等。圍繞測試系統(tǒng)的工藝要求、控制任務(wù)、環(huán)境要求和可靠性、先進(jìn)性、繼承性等因素綜合全面考慮，最后確定計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)方案。

該系統(tǒng)中具有開關(guān)量輸入信號(hào)，輸出信號(hào)，模擬輸入信號(hào)，模擬輸出信號(hào)，脈沖信號(hào)。為了采集到這些有用信號(hào)，現(xiàn)場每一路信號(hào)都要通過光電耦合模塊、信號(hào)調(diào)理模塊，然后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、判斷、運(yùn)算，最后輸出合適的控制信號(hào)以維持、協(xié)調(diào)每個(gè)子系統(tǒng)。圖2為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件框圖:

四、數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

程序運(yùn)行時(shí)，要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制、保存，以方便監(jiān)控和分析。首先對每個(gè)采樣周期讀到數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)平均值濾波的方法進(jìn)行濾波，以去除各種干擾信號(hào)。采用數(shù)字濾波可以有效去除隨機(jī)性干擾。接著將濾波后的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地在界面上繪制成曲線，并且保存起來，從而為試驗(yàn)分析提供幫助?；瑒?dòng)平均值濾波相對于中值濾波和算術(shù)平均值濾波，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可以得到保證。該方法采用循環(huán)隊(duì)列（單精度數(shù)組數(shù)據(jù)類型）作為采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的數(shù)據(jù)。這樣，在隊(duì)列中就時(shí)刻保持著最新的n個(gè)數(shù)據(jù)，對這n個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個(gè)有效采樣值，因而速度快、實(shí)時(shí)性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用。數(shù)據(jù)處理程序流程框圖如圖3所示。

五、控制系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件按照模塊化設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、控制主界面模塊、通信設(shè)置模塊、板卡測試模塊、傳感器標(biāo)定模塊以及數(shù)據(jù)庫查詢模塊（圖4）。圖中箭頭方向?yàn)橐话阍囼?yàn)操作步驟。

主界面簡介：在主界面可以完成被試件特征參數(shù)的錄入、信號(hào)報(bào)警限值的設(shè)定（“限值設(shè)置”標(biāo)簽）、驅(qū)動(dòng)橋測試工況的設(shè)定（“工況設(shè)定”標(biāo)簽）、數(shù)據(jù)處理方法的選擇（“數(shù)據(jù)處理”標(biāo)簽）、數(shù)據(jù)刷新和保存頻率的選擇（同上）、文件保存路徑（同上）、各種信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及被測量曲線的動(dòng)態(tài)繪制。通過點(diǎn)擊主菜單就可以進(jìn)入其他模塊界面，進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的前期設(shè)置、傳感器的標(biāo)定系數(shù)的求解、板卡自測、通信設(shè)置及自測以及查詢試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，重新繪制曲線等操作。

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