路面機械控制系統多功能試驗平臺設計

唐紅雨，陳 迅，黃海峰

(1. 鎮江高等專科學校 電氣電競與交通學院，江蘇 鎮江 212028； 2. 江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

路面機械是建設高等級公路的專用機械設備，產品種類多，如銑刨機、攤鋪機、平地機、瀝青拌和站、廠拌、水泥攤鋪機等，可靠性主要體現在設備能長時間連續工作，不出現故障。但大多數路面機械產品的工作環境惡劣，受溫度、濕度、灰塵等因素影響，經常在投入使用不久就出現故障，而且很難準確判斷故障原因，既損失了原材料，又增加了設備維護成本。因而企業在設計、制造、生產環節必須重點考慮產品的穩定性和可靠性，特別是控制系統的可靠性，以保證所有動作正常有序進行。路面機械產品在出廠前必須對其控制系統進行模擬測試，但目前還沒有專門的測試裝置[1]。因為路面機械的控制系統及控制器模塊供應商不同，每種控制器的輸入輸出信號既有兼容性又有所區別，沒有通用的測試裝置。

針對控制系統的模擬測試裝置，國內外學者進行了大量研究。文獻[2]提出基于現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的脈沖寬度調制信號發生器，文獻[3]提出基于FPGA+PWM(Pulse Width Modulation，PWM))的多路信號發生器設計方法。有的采用直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)技術，使信號的輸出頻率在100MHz以下，且分辨率在1Hz左右[4]，有的設計基于PWM的數字軸角轉換(DSC)電路，模擬產生旋轉變壓器信號[5]。文獻[6]在FPGA內設計基于雙DDS電路結構的信號發生器，用數字的方法實現了標準波形和各種調制波形的雙通道輸出。以上方法主要針對通用測試信號或信號產生電路，未考慮路面機械產品的特殊性。因而設計制作多用途路面機械產品多功能模擬測試裝置，為多種路面機械產品控制系統提供不同規格的信號輸入，顯示模擬仿真結果，判斷其控制程序設計的正確性，具有重要應用價值。

1 系統設計

路面機械產品控制系統多功能試驗平臺具有特制性，主要是在攤鋪機、銑刨機等的控制系統軟硬件設計時進行模擬仿真實驗，驗證控制系統軟件的正確性。路面機械產品結構復雜，系統模塊較多，大多采用專用模塊，控制系統設計時，需要考慮模塊的互融互通，具備通用性，接口多樣，可針對Roxroth(力士樂)、Danfoss(丹佛斯)、TTC(Thermal Transfer Composites)、EPEC等公司的不同控制器和顯示器進行軟件設計，可進行多種信號模擬，可根據產品需要靈活搭建仿真系統。主要設計要求如下：

1) 具備多種穩壓電源，包括DC5V電源5路(1～2A)、DC24V電源2路、三相交流電源1路(380V)、恒流源2路(0～1A)。

2) 具備多種輸出信號模擬，包括開關量信號模擬輸出100路(DC24 V，3狀態開關)、模擬量信號模擬輸出5路(0～5V可調，步進0.01V)、模擬量信號模擬輸出5路(0～10V可調，步進0.01V)、模擬量信號模擬輸出5路(0～5KΩ可調，電位計)、模擬量信號模擬輸出5路(0～1KΩ可調，電位計)、模擬量信號模擬輸出5路(4～20mA可調，分辨率5%)、模擬量信號模擬輸出2路(0～20mA可調，分辨率5%)、脈沖信號模擬輸出2路(1000Hz可調，步進1Hz，幅值0～24V)、脈沖信號模擬輸出2路(5000Hz可調，步進1Hz，幅值0～24V)、正弦波信號輸出1路(幅值0～20V，頻率0～5000Hz)。

3) 具備多種輸入信號模擬裝置，主要用于檢測控制器的運行狀態，包括PWM信號輸入模擬裝置10路(留10路輸入接口，頻率0～1000Hz，顯示頻率、幅值、占空比)、開關量信號輸入模擬裝置40路(DC24 V高電平30路，低電平10路)，此需求建議在屏幕上用圖標模擬顯示。

4) 整個試驗平臺能夠旋鈕調節，程序控制，組態靈活，用屏幕設定，輸入參數可實現對應信號輸出；脈沖信號的頻率、幅值可調，且具有掃頻功能，輸出模擬裝置要求人機友好、操作簡單。

根據企業的要求，路面機械產品控制系統多功能試驗平臺主要包括電源、輸出信號模擬、輸入信號模擬、顯示、內部信號產生等模塊。核心器件采用STM32F103VBT6，如圖1所示。采用虛擬儀器技術設計信號的采集、顯示和處理。信號產生采用直接數字頻率合成技術(DDS)[6]。DDS是一種新的頻率信號產生方法，具有超高速的頻率轉換時間、極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調頻時，能夠保持相位連續，很容易實現頻率、相位和幅度調制。利用總線和可編程芯片技術提高系統數字采集通道的可擴展性和穩定性。電源模塊電路如圖2所示，可產生多路恒流源和恒壓源。

圖1 STM32F103VBT6接線圖

圖2 電源產生電路

2 軟件設計

系統軟件部分人機交互界面采用Labview虛擬儀器[7-8]技術，底層信號產生采用STM32F103VBT6芯片，開發環境采用KEIL MDK軟件，系統啟動界面如圖3所示。

圖3 系統啟動界面

模擬信號輸出界面(見圖4，圖5)為控制臺左邊的屏幕顯示界面。該界面上有兩個選項卡：左邊是模擬量信號輸出設置，可以設置電流值、電壓值，并有直觀的指示針指示，下面的數值是實時值；右邊是波形輸出設置，主要設置輸出信號的參數，可以設置脈沖信號和正弦信號的頻率、幅值、占空比。

信號監測界面(見圖6，圖7)為控制臺右邊的屏幕顯示界面。該界面上有兩個選項卡：左邊是PWM信號顯示，可以顯示幅值、頻率、占空比，并且有波形顯示；右邊是開關量信號輸入，主要顯示接收的信號，用按鈕的亮暗表示。

系統軟件部分采用數字可編程芯片(FPGA)，提高了數字信號產生的穩定性、可擴展性，具有電路硬件升級功能。FPGA通道口部分程序如下：

#include ″stm32f10x.h″

extern uint8_t FPGA_Data_Buff[100];

extern uint16_t max_amp[10];

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

WHO調查了近年來29個發展中國家的普通孕婦中子癇前期發病率0.02%～7.67%，平均發病率為2.16%。針對正常孕婦的子癇前期試驗，發病率不高。Valio等[15]研究了妊娠35～37周的3 953例單胎普通孕婦，最終只有65例發展為子癇前期。一些針對高危孕婦進行的研究中，子癇前期的發病率明顯上升[11]。本研究中的研究對象為子癇前期高危孕婦，271例病人中有11例發病，明顯提高了sFlt-1、PLGF對于子癇前期的預測價值。早期診斷子癇前期，盡早對于高危孕婦進行干預及監管，減少不良圍產期母嬰結局的發生具有重要意義。

void FPGA_RD(void);

void FPGA_RD()

{ uint8_t i,j;

uint16_t FPGA_Addr;

uint16_t RAM_Addr;

FPGA_Addr=0;

RAM_Addr=0;

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_12);

……

軟硬件設計完成后，進行系統的組裝與調試，并經企業實際使用，達到了預定的技術指標要求。

圖4 模擬信號輸出界面(左邊)

圖5 模擬信號輸出界面(右邊)

圖6 信號監測界面(左邊)

圖7 信號監測界面(右邊)

3 結束語

筆者設計的路面機械產品控制系統多功能試驗平臺由硬件和軟件組成，硬件由控制臺、多種模擬信號、開關信號發生器、顯示屏、信號輸入接口等組成，軟件由高級語言編寫，用于顯示各種輸出信號的狀態。該測試裝置能夠為路面機械產品的控制系統提供信號輸入，并能對多種控制器的輸出信號進行采樣，模擬信號輸出，檢測控制器狀態，可通過顯示屏觀察控制器輸出波形、開關量信號的狀態等。該試驗平臺是為路面機械量身定做的，通過試驗驗證控制方法的正確性和可靠性，降低了測試成本和人工成本，提高了設計效率和產品質量，推廣前景較好。