基于虛擬儀器AVR單片機(jī)的功率測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

袁虎成　呂鳳玉　賀成柱

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州　730030)

基于虛擬儀器AVR單片機(jī)的功率測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

袁虎成呂鳳玉賀成柱

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730030)

摘要：對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)功耗測(cè)試方法進(jìn)行了研究。為得到不同工作載荷下的功耗，開(kāi)發(fā)了一套結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可置于農(nóng)機(jī)駕駛室的功率測(cè)試系統(tǒng)。硬件上，采用高精度扭矩轉(zhuǎn)速傳感器作為前端采集設(shè)備， AT90CAN128嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)作為信號(hào)采集器，通過(guò)9芯串口上傳數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在工業(yè)平板電腦中。軟件上，以符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具ICCAVR編寫(xiě)信號(hào)采集器程序，用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)上位機(jī)通信與數(shù)據(jù)處理程序，形成一套完整的多點(diǎn)功率實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)可靠性高，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中。

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

0引言

目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械作為典型的機(jī)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(diǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)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(jī)空載功率、不同工作載荷的帶載功率及關(guān)鍵部件功率配比等參數(shù)，是各種農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、性能分析及優(yōu)化改進(jìn)等環(huán)節(jié)必不可少的考慮因素[1-2]，也是設(shè)備故障分析與解除的重要依據(jù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械功率主要通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)兩種方式消耗。由于各自測(cè)量原理不同，導(dǎo)致功耗測(cè)試方法也不同。從測(cè)量?jī)x器開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)看，由于虛擬儀器技術(shù)和智能采集器技術(shù)的飛速發(fā)展，文獻(xiàn)[3-5]采用可視化圖形編程語(yǔ)言LabVIEW，完成旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭矩、轉(zhuǎn)速及功率等數(shù)據(jù)的采集。NI的另一款開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI 是以標(biāo)準(zhǔn)C為基礎(chǔ)編程語(yǔ)言，功能及靈活性優(yōu)于LabVIEW。

在硬件設(shè)備方面，文獻(xiàn)[6]以PLC為控制單元，文獻(xiàn)[7]用USB數(shù)據(jù)采集卡實(shí)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(jī)系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、功耗低和價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)[8]。

在通信方面，由于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，文獻(xiàn)[9]開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器功率測(cè)試系統(tǒng)；串口通信具有可靠性高、程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單及硬件接口簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[10]，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)的惡劣環(huán)境。

綜上分析，為獲得農(nóng)業(yè)機(jī)械在不同工況下收獲不同作物時(shí)消耗的總功率及各部件的功耗比，特別是收獲機(jī)出現(xiàn)械物料堵塞時(shí)的功耗,本文采用一種有效、可靠的軟硬件設(shè)備及通信方式，開(kāi)發(fā)一套體積小、成本低、現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)的功率測(cè)試系統(tǒng)。在不改變農(nóng)業(yè)機(jī)械外形結(jié)構(gòu)、不增加農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)成本原則下，將系統(tǒng)固定在駕駛室，方便機(jī)手實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行情況，也為農(nóng)戶評(píng)價(jià)不同設(shè)備性能及功耗提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)采集扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)。工業(yè)平板電腦是上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示扭矩值、轉(zhuǎn)速值和功率值，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示扭矩、轉(zhuǎn)速曲線，可實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警顯示，具有數(shù)據(jù)存盤(pán)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(jié)構(gòu)圖

1.1扭矩傳感器

扭矩傳感器采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)測(cè)量扭矩，采用磁電碼盤(pán)的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。根據(jù)功率計(jì)算公式P= (Tn)/9 550可知，通過(guò)測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速，可得到功率值。在田間作業(yè)時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式有兩種，一種是自走式的，即自身帶有動(dòng)力裝置；還有一種是懸掛式的，即通過(guò)拖拉機(jī)提供動(dòng)力。不管在哪種驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)備上測(cè)量扭矩，首先要滿足扭矩測(cè)量的條件，扭矩傳感器安裝位置的兩端都要傳遞動(dòng)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(shè)備，具體參數(shù)為：量程3 000 Nm、精度0.5%FS、頻率響應(yīng)100 μs，通過(guò)通徑DN50的法蘭安裝在農(nóng)機(jī)設(shè)備上。

1.2數(shù)據(jù)采集器

采集器采用ARM嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)。AT90CAN128芯片具有強(qiáng)大的CAN通信功能，在車輛控制器中應(yīng)用廣泛。其將8位CPU與系統(tǒng)自編程Flash 融合在一個(gè)芯片上，采集速率比常規(guī)RISC單片機(jī)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(gè)高效的單片機(jī)，可為嵌入式控制應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)

采集器連接到上位機(jī)并與之通信，采用RS-232傳輸標(biāo)準(zhǔn)，接口連接如圖3所示。

圖3　采集器與上位機(jī)連接圖

信息以ASCII碼形式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)LabWindows/CVI平臺(tái)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)的上位機(jī)程序。計(jì)算機(jī)按確定地址向采集器發(fā)出命令，等候采集器回答。如果沒(méi)收到回答，則超時(shí)中止，將控制轉(zhuǎn)回上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)讀取指令從采集器讀取測(cè)量值、報(bào)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(jī)控制。當(dāng)采集器不進(jìn)行發(fā)送時(shí)，都處于偵聽(tīng)方式。

采集器與上位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)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(wú)奇偶校驗(yàn)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(duì)其他命令的回答延遲不大于200 ms。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabWindows/CVI 是美國(guó)NI 公司推出的交互式C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合，為系統(tǒng)檢測(cè)、自動(dòng)環(huán)境測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)功能，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將上位機(jī)軟件分為通信端口設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等部分。本軟件人機(jī)界面友好、操作方便。

2.1.1通信參數(shù)設(shè)置

利用串口實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，首先應(yīng)該打開(kāi)發(fā)送端和接收端串口，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后利用串口讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，最后關(guān)閉串口。

部分程序如下。

//打開(kāi)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(xiě)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(chǔ)

實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)曲線，以文本形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)

ICCAVR作為第三方C編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言，是開(kāi)發(fā)MCU程序的工具之一。由于AT90CAN128硬件結(jié)構(gòu)的原因，在對(duì)其I/O口操作時(shí)，需通過(guò)端口輸入寄存器PINx與端口輸出寄存器PORTx來(lái)實(shí)現(xiàn)。

//設(shè)置串口通信參數(shù)

void uart0_init(void)

{

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

UCSR0A = 0x00;

UCSR0C = 0x06;

//設(shè)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(yīng)用

3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2014年，在甘肅省河西地區(qū)某青貯收割機(jī)上安裝了本文設(shè)計(jì)的功率測(cè)試系統(tǒng)，在不同地塊、不同種植密度的玉米地進(jìn)行了青貯玉米收獲功率消耗實(shí)驗(yàn)。當(dāng)作物密度和割幅不改變時(shí)，聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量與行走速度成比例關(guān)系。改變行走速度，得到不同喂入量，從而改變工作負(fù)載，得到不同行走速度對(duì)功率的影響，獲得收獲機(jī)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(cè)試系統(tǒng)田間實(shí)驗(yàn)連接如圖5所示。

圖5　測(cè)試系統(tǒng)田間實(shí)驗(yàn)連接圖

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)按照3種工況自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，拖拉機(jī)工作收獲速度V=3.04 km/h，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。此青貯玉米收獲機(jī)的設(shè)備功率消耗部件主要包括：收割臺(tái)、夾持喂入裝置功率消耗、切碎裝置等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)均值記錄表

4結(jié)束語(yǔ)

采用虛擬儀器技術(shù)和串口通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集自動(dòng)采集、報(bào)警、存儲(chǔ)功能為一體的功率測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)采用 AVR內(nèi)核的ARM處理器,集成自主開(kāi)發(fā)功率信號(hào)采集器，采用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳送，實(shí)現(xiàn)了多路功率信號(hào)采集系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試表明，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期要求,滿足實(shí)際需要,可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中。

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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(hào)：TH-3;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：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(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事自動(dòng)化儀表及系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究工作。