汽車動力轉向油泵試驗臺觸摸屏人－機界面設計

王玉琳，王運，劉光復

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230001)

轉向泵是汽車液壓動力轉向系統中的油源裝置，其性能的好壞直接影響到汽車行駛的平穩性和可靠性，因此轉向泵出廠前必須進行嚴格的性能測試。汽車動力轉向油泵試驗臺采用單片機控制系統，通過控制電液比例閥和變頻器實現對汽車動力轉向油泵的油壓和轉速進行無級調節，用戶根據要求調整轉向泵的工況，實現轉向泵在各種工況下完成壓力、流量、溫度、轉速、扭矩等參數的自動測試，從而完成試驗大綱所規定的跑合、安全閥調節、容積效率測試和最大流量測試等汽車轉向泵試驗流程。目前大部分試驗臺人－機界面采用鍵盤輸入和LED顯示，用戶通過鍵盤向單片機控制系統發出指令或輸入數據，控制系統的各種信息或參數通過LED顯示反饋給操作者，這種界面按鍵多、復雜，對操作人員的技能有所要求，而且界面占用空間大，易損壞，系統不穩定，可靠性差。

為了解決上述問題，開發了一種基于觸摸屏的汽車動力轉向油泵試驗臺。觸摸屏是集信息顯示、處理、通信和控制于一體的綜合信息系統，具有堅固耐用、反應速度快、節省空間、易于交流等諸多優點。將轉向泵的4個測試程序編制好存入控制系統程序存儲器中，用觸摸屏組態軟件編輯圖形菜單，分別啟動相對應的試驗程序，實現自動測試。另外人－機界面添加手動和自動兩種測試方式，提高產品的適應性。

1 觸摸屏與控制系統通信

1.1 觸摸屏與單片機的硬件連接

人－機界面控制系統主要包括單片機和觸摸屏，其硬件連接如圖1所示，觸摸屏和單片機采用主從通信方式，觸摸屏作為主機，單片機作為從機。Samkoon SA系列觸摸屏有3個設備連接端口，1個PC(USB)端口用于程序下載，2個RS232/RS422/RS485 端口用于通信，由于單片機AT89S52 無RS232接口，因此需要擴展一片MAX232，將TXD、RXD的TTL 電平轉換成RS232 電平。為實現與單片機一對一通信，用一根RS232 通信電纜連接單片機RS232口與觸摸屏通信COM1口，其中包括通信電纜DB9的2－2，、3－3，5－5。

圖1 觸摸屏與單片機硬件連接

1.2 觸摸屏組態畫面設計

(1)設置通信參數

觸摸屏與單片機通信參數設置為:波特率9 600，數據位8位，1個停止位，主機觸摸屏地址為0，從機單片機地址為1。打開Samkoon 觸摸屏組態軟件SamDraw3.3，打開文件新建工程，輸入工程名稱，在選擇型號下拉菜單中選擇觸摸屏的型號SA-7A/B(800* 480 7.0’)，單擊下一步，試驗臺采用觸摸屏為主機、單片機為從機的通信方式，因此在設備服務下拉菜單中選擇MODBUS，后備欄中選擇MODBUS RTU Master，單擊下一步，完成如圖2所示的通信參數設置。

(2)觸摸屏組態畫面編輯

根據試驗大綱要求，汽車動力轉向油泵試驗臺人－機界面應該具有以下5個功能:

①完成跑合、安全閥調節、容積效率測試和最大流量測試等實驗流程;

②具有手動和自動兩種方式完成測試實驗;

③顯示當前壓力、流量、溫度、轉速、扭矩等參數;

圖2 通訊口參數設置

④可設定被測轉向泵油壓和轉速等參數;

⑤產品不合格或者扭矩過大報警功能。

觸摸屏畫面元件讀取地址的設備類型有0x、1x、3x、4x 等選項。0x表示讀取的是控制器的輸出信號(可讀可寫)，可作為位狀態指示燈、按鍵、觸發控制位。1x表示讀取的控制器的輸入信號(只讀)，可用作觸摸屏上的狀態指示燈。3x 和4x指控制器的寄存器地址類型，其中3x是只讀的，因此3x可作為觸摸屏中數值顯示元件和多狀態指示燈。4x是可讀可寫的，可作為觸摸屏中的數值輸入元件和多狀態設定元件。它們的取值范圍1—65535。觸摸屏組態畫面主要包括手動方式和自動方式兩個畫面，如圖3和圖4所示。

圖3 手動方式組態畫面

圖4 自動方式組態畫面

圖3為測試試驗手動方式，該組態畫面是用戶根據需要設定試驗的油壓和轉速等參數來完成測試的實驗流程，提高了設備的產品適應性能。畫面中有電機啟、電機停、比例閥啟、比例閥停、急停按鈕5個位元件，其監視地址分別設置為0x1、0x2、0x3、0x4、0x5。設置了實時轉速(16位整數)、實時溫度(32位浮點數)、實時壓力(32位浮點數)、實時扭矩(32位浮點數)等4個數值顯示元件，其監視地址分別設置為3x1、3x3、3x7、3x11。添加了轉速設置(16位整數)和壓力設置(32位浮點數)兩個數值輸入元件，其監視地址分別設置為4x1、4x3。為保護變頻電動機，在組態畫面上設置報警控件元件，用來監視扭矩大小，當液壓系統產生故障導致過載，超出設定扭矩界限時會報警提示并停止，類比報警區設置讀取地址3x11，大小4個字節，掃描時間為1 s，用戶可根據變頻電動機的參數設定扭矩報警界限。

圖4為測試試驗自動方式，該組態畫面主要功能有:用戶首先編制好4個測試實驗程序存入控制系統程序存儲器中，啟動相對應的試驗控制按鈕，系統自動完成相應的跑合實驗、安全閥調節實驗、容積效率檢測實驗、最大流量檢測實驗，不合格則報警提示并停止運行。轉速、溫度、壓力、扭矩等實時數據顯示監視地址設置與手動控制畫面中設置一樣。畫面中有設置兩個畫面按鈕，自動方式和手動方式，用于這兩個控制畫面之間的切換。

1.3 MODBUS 通信協議

MODBUS協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，該協議定義了一個控制器都能認識使用的消息結構，使得控制器相互之間、控制器經由網絡與其他設備之間可以通信，目前已成為一種通用工業標準，基于此協議，不同的廠商生產的控制設備可以連成工業網絡、經行集中監控。MODBUS協議有ASCII和RTU 兩種傳輸模式，在波特率相同情況下，RUT模式比ASCII模式傳送更多的數據，因此試驗臺采用RUT模式通信。MODBUS 通信協議的基本通訊單元稱為報文，每條報文包括報文頭、數據和檢驗碼3個部分，串行通信時是以字符幀為最小傳送單位，11位字符幀包括8個數據位，1個起始位，1個停止位，1個奇偶校驗位。MODBUS RUT 傳輸模式下一個報文是由從機地址、功能碼、數據域和CRC 校驗碼組成，一個典型報文格式如表1所示。報文發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始，在最后一個傳輸字符之后，至少3.5個字符時間的停頓標志報文的結束，以保證一個報文作為一連續信息傳輸。Samkoon系列HMI 內置MODBUS 從站通訊協議，支持的MODBUS協議功能碼為0x01，0x03，0x05，0x06，0x10，因此單片機控制系統和Samkoon系列觸摸屏可采用MODBUS協議實現通信。

表1 通信報文格式

1.4 通信軟件設計

觸摸屏和單片機采用主從通信方式，觸摸屏作為主機，單片機為從機。觸摸屏根據組態畫面控件的功能不斷向單片機發送指令，單片機接收到觸摸屏的指令后，進行判斷和校驗，并作出相應的應答。程序流程如圖5所示。

例如觸摸屏數值顯示元件‘實時轉速’的監視地址為3x1，讀取單片機6BH為首地址的一個字(6BH，6CH)的值，顯示測試試驗的實時轉速。單片機通信程序如下。

圖5 通信程序流程

2 試驗結果

考察該設備的測試試驗關鍵指標是否能準確控制被試轉向泵的壓力和轉速，據現場抽驗所得結果如表2所示。

表2 現場實測轉向泵的轉速和壓力

表2中轉速的最大誤差為0.67%，壓力的最大誤差為2%，均在試驗大綱所規定的±5%的范圍之內。該汽車動力轉向泵試驗臺人－機界面不僅操作簡便，而且能保證控制的精度。

3 結束語

由于對設備的智能化程度要求越來越高，對操作性的要求也越來越高，觸摸屏觸控操作簡單、便捷、人性化，有望成為人機互動的最佳界面并迅速普及。文中介紹的汽車動力轉向泵試驗臺人－機界面使測試試驗操作更為簡便化和自動化，實現各項測試數據實時監測和修改，提高了測試精度和工作效率。通過組態軟件修改觸摸屏界面，該方案就可移植到其他系統中，具有一定的推廣應用價值。

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