輪荷稱重儀數據采集系統

趙新通++陳雷++常龍

摘要：根據輪荷稱重儀的工作原理和應變片組橋方式，設計一套輪荷稱重儀數據采集系統，數據采集系統由下位機硬件與上位機軟件組成，硬件部分是通過選擇合適的電子器件和合理的設計電路原理圖及PCB設計；軟件采用LabVIEW編程技術.輪荷稱重儀獲取車輪對傾翻臺面的徑向壓力，傾翻臺下面的應變片由于力的作用產生應變，下位機獲取數據信號，通過串口通信模塊，下位機與上位機數據采集系統進行指令和數據的傳輸，將采集到的信號進行處理，由上位機面板把信息傳達給用戶.此系統具有數據采集與處理、數據實時顯示與存儲、數據后期處理和工作溫度進行監測等功能.

關鍵詞：數據采集系統；輪荷稱重儀；多通道

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.004

中圖分類號：TH39

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0019-05

O 引 言

車輛的質心和質心位置等參數對車輛的一些性能指標有一定影響，例如車輛的操控性、穩定性、機動性、制動性等，精確地測量車輛質心位置是必要的，而現有車輛質心測量法難以實現多軸車輛的質心位置測量，因此提出在傾翻臺上應用輪荷測量儀來測量多軸車輛的質心，本文根據多通道輪荷測量儀使用工況的特點，設計了一套與其相應的數據采集系統，可以實現對多通道數據實時采集與處理、對測量結果的后續處理和對系統工作環境溫度的監測等功能.該數據系統由下位機硬件與上位機軟件兩部分組成.下位機硬件負責對信號調理、數據采集與處理、數采顯示及溫度監控等.通過現場總線將數據傳送給上位機，上位機可以實現多通道數據的切換采集、數據的實時顯示與存儲及系統工作環境溫度的監測與報警等功能.本文主要介紹了輪荷測量儀的工作原理和下位機硬件的設計.

1 輪荷測量儀的工作原理

該輪荷測量儀是一種多通道一體式輪荷稱重儀，多套輪荷稱重儀安裝在傾翻臺面上，通過調整稱重儀相互之間的間距，來滿足不同車型的測量要求.輪荷稱重儀的主要功能是獲取車輪對傾翻臺面的徑向壓力，首先實現從輪荷稱重儀局部應變再到電信號的轉換，繼而利用數據采集系統對該電信號進行采集與處理.

1.1 輪荷測量儀的結構模型

輪荷稱重儀的結構模型如圖1所示，輪荷測量儀是基于電阻應變式稱重傳感器而設計的一個板橋型秤體，在合金板底部靠近支撐的區域加工4個等距等寬等深的矩形槽，在矩形槽內黏貼應變片，用來檢測輪荷測量儀在受力時所發生的形變.

輪荷稱重儀是一個在長度、寬度及各個橫截面方向上規則的彈性結構體，根據材料力學變形固體的連續性、均勻性、各向同性假設，稱重儀可以看做由n條平行排列的彎曲梁組成.分析其中一條梁的力學性能，其受力分析如圖2所示，

當等效梁只受到法向力F、的作用時，在1、2、3、4位置處的彎矩分別為：

令1、2、3、4位置處矩形槽內表面的應變分別為 ，則有

式中：yi為矩形槽內表面到中性軸的距離；E為稱重儀材料的彈性模量； 為矩形槽內表面對中性軸的慣性矩.

由于每個矩形槽的尺寸都一致，所以每個矩形槽內表面到中性軸的距離都相等，每個矩形槽內表面對中性軸的慣性矩也相等，即

1.2 輪荷稱重儀的組橋方式

在稱重儀的4個等寬等深的矩形槽表面等間距粘貼應變片，每4個應變片在長度方向相連接構成一組全橋電路，一共粘貼9組，這樣稱重儀將會有9組橋路的傳感器信號輸出，具體的貼片組橋方式如圖3所示，

應用支路電流法，算得每組橋路的輸出電壓為：

將式（1）～（5）代人式（9）得到稱重儀上每組橋路輸出電壓為：

假設稱重儀上的載荷為Fo，稱重儀橋路輸出電壓就是9組橋路輸出電壓之和，用公式表示為：

式中： 為稱重儀電橋輸出的電壓之和； 為每組電橋的供電電壓；Ko為應變片的靈敏系數；Yi為應變片粘貼表面到中性軸的距離；L2為同側矩形槽間距； 為某個等效梁上的總載荷分量；E為稱重儀材料的彈性模量；，，為應變片所在截面對中性軸的慣性矩；Fo為稱重儀上加載載荷.

2 數據采集系統的總體設計

該數據系統的設計包括下位機，RS - 232串口通信和上位機，下位機是以單片機作為整個數據采集系統的硬件控制核心，通過它的邏輯控制完成對數據的采集與處，主要有通道選擇模塊、信號放大模塊、信號濾波模塊、模數轉換模塊、MCU模塊，通過RS-232總線將數據傳送給上位機，上位機可對數據進一步的處理與存儲，應用LabVIEW軟件開發上位機交互界面，主要有用戶登錄模塊、單/多通道采集模塊和溫度監測模塊，輪荷儀數據采集系統的總體結構如圖4所示.

2.1 數據采集系統的硬件設計

硬件設計也就是下位機，它是整個輪荷稱重儀數據采集系統的重要部分，要完成多路傳感器信號的采集、輸出數字量測量結果，硬件設計需要完成電源模塊、多通道控制選通、信號調理、A/D模數轉換、數字顯示、溫度監測及通信接口模塊等工作.通過選擇合適的電子元件，完成整體電路原理圖設計及PCB設計，通過電路板焊接與調試，最終完成多通道數據采集系統硬件電路的設計，硬件實物圖如圖5所示.

2.1.1多通道選擇控制電路設計

輪荷稱重儀具有9個通道的輸出信號，每個單通道的信號都需要被采集，針對本系統傳感器信號的特點采用多路模擬開關，實現每個通道的分時選通.被測信號是差分雙路信號，使得單路模擬開關不適用，本系統最終選擇3個多路模擬開關CD4052.具體應用電路如圖6所示，通過單片機的1/0端口操控CD4052的工作狀態，完成對于多通道信號的切換控制.

圖6模擬開關CD4052電路原理圖

2.1.2

A/D轉計換器

在輪荷儀測量系統中，需要把采集來的模擬信號轉換成MCU能識別的數字信號，那么A/D轉換器是必不可少的，綜合考慮系統對ADC的轉換精確度、采樣速率、線性度及接口特性等方面的需求，本文選擇了性價比較高的TM7709模數轉換芯片，其應用電路原理圖如圖7所示

2.1.3 邏輯控制元件

邏輯控制元件MCU是整個硬件電路的核心單元，通過單片機的控制來完成各個功能模塊之間有效地運行，以及對數據的實采集和傳輸.本系統選用了STC90C516RD+型號單片機作為控制器件.通過C語言編寫的程序指令，實現了通道選擇、數據獲取、實時顯示及通信接口控制等功能，高效、有序地完成了系統的邏輯控制.

2.1.4 數據顯示電路設計

本系統可以在硬件電路上直接顯示數據測量結果，根據顯示功能設計的要求，采用兩個四位一體的八段數碼管，并選用TM1638芯片來驅動控制這兩個數碼管.單片機通過3個I/O口對TM1638進行讀寫控制操作，實現彼此間的串行數據通信，以顯示測量結果.數據顯示電路原理圖如圖8所示.

2.1.5 串口通信接口電路設計

通信接口電路是實現下位機與上位機之間相互通信的橋梁.在串行通信中，下位機和上位機需選擇相同的接口標準，才能進行正常的相互通信.在本系統的設計中，因計算機上的串口是RS - 232負邏輯電平，所以選擇MAXIM公司的MAX232換芯來設計電平轉換電路.串口通信的實現電路原理圖如圖9所示.

2.1.6 溫度監測與報警電路設計

由于硬件電路中的芯片都有各自的溫度工作范圍，工作環境溫度會對系統的測量精度與穩定性產生影響，嚴重時可能導致系統工作失靈，所以對下位機硬件的]二作環境進行溫度監測.采用DS18820與有源蜂鳴器組建了溫度監測與報警電路，一旦工作環境溫度超出設定的范圍，蜂鳴器會自動嗚叫發出警告，溫度監測與報警電路設計如圖10所示

2.2 上位機軟件的開發

輪荷稱重儀數據采集系統的下位機也就是硬件部分，只是對數據進行了數據處理，有一定的局限性.為了將采集到的數據進行進一步地運算處理與存儲，開發上位機軟件設計是必不可少的一部分.采用虛擬儀器軟件LabVIEW來編寫上位機界面，通過RS-232串口計算機可以與下位機之間進行數據傳輸.上位機對數據進行提取與采集控制，實現數據存儲、波形實時顯示及數據管理等功能.根據數采系統的功能要求，用上位機軟件設計了單通道采集、多通道采集、數據管理及溫度監測4個控制界面，多通道采集界面如圖11所示.

3 結 論

本文設計了一套適用于多通道輪荷測量儀的數據采集系統.在設計過程中，運用了信號采集理論、數據通信技術、C語言驅動程序開發、電路抗干擾技術及虛擬儀器等技術，完成了系統的下位機和上位機的開發工作.該系統可以實時地進行數據采集與處理，還可以對采集到的數據進行后續處理，并且還可對工作溫度進行監測.這樣一套多通道輪荷稱重數采系統兼具成本低、性能穩定、可操作性強等優點，對實現車輛輪荷高精度測量具有一定的現實意義及應用前景.