摘要：數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)對AMT系統(tǒng)的開發(fā)有重要意義。本文介紹了基于串行通信與虛擬儀器技術的汽車AMT數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理以及軟、硬件的設計。 關鍵字：AMT 數(shù)據(jù)采集 串行通信 虛擬儀器 0.引言 AMT（ Automated Mechanical Transmission） 即機械式自動變速器，是在原有的機械變速器離合器結構不變的情況下，通過加裝微機控制的自動操縱機構取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離、接合、摘檔與懸掛檔以及發(fā)動機相應同步調(diào)節(jié)等操作，最終實現(xiàn)換檔全過程操縱的自動化它既具有AT 自動變速的優(yōu)點又保留來原手動變速器MT齒輪傳動效率高成本低結構簡單容易制造的長處。系統(tǒng)的基本控制原如圖1所示。 AMT系統(tǒng)是一個復雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)、參數(shù)多，變化快，時間歷程短。一般憑人工直接觀測或普通的測試儀表難以觀察到的一些現(xiàn)象，特別是多個控制參數(shù)瞬息變化的復雜動態(tài)過程，只有利用數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，才能進行完整、細 致的分析。自動換檔操縱系統(tǒng)對于多個設計方案的選擇，傳感器、執(zhí)行機構等硬件的確 定，特別是軟件的設計、調(diào)試，都有賴于通過大量的試驗、試車。隨著自動 變 速 理論發(fā)展和不斷完善，為了更合理地確定換檔規(guī)律，提高自動變速 系統(tǒng)對不同駕駛員、道路、車況的適應性，這些都需要做大量的試驗，采集 一定量的數(shù)據(jù)作為設計的依據(jù)。即使有了大量的數(shù)據(jù)，要想得到技術人員關心的性能指標，還要對其進行處理和分析。這些工作的完成對人來說是很費時的，利用數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng) 可對采集到的數(shù)據(jù)自動進行處理和分析，很快地得到有用的試驗結果，并以形象直觀的方式提供給設計人員。由于隨車數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)對開發(fā)AMT具有重要意義，出于研究、設計AMT的需要我們開發(fā)了這樣一個系統(tǒng)。 1.系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有兩種實現(xiàn)方式：一種是基于數(shù)據(jù)采集卡的單上位機方式，一種是基于AMT電控單元ECU作為下位機PC機作為上位機的方式。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號同時也是AMT的電控制單元ECU所要用的，為了系統(tǒng)結構簡單，采集系統(tǒng)下位機與AMT的控制系統(tǒng)可共用部分硬件并在此基礎上增加串行通訊接口電路。由于PC機具有強大的功能和豐富的軟件，因此我們選擇裝有WINDOWS XP操作系統(tǒng)的普通便攜式PC機作為上位機。下位機負責完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機，上位機負責把接收到的數(shù)據(jù)進行分類、存儲以及分析把研究人員所關心的數(shù)據(jù)顯示出來。 2. 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)的硬件主要有以下幾個部分：傳感器，信號調(diào)理電路，下位機（ECU），串行通訊接口電路，電源電路，上位機（PC），以及一些必要的外圍電路，結構框圖如圖2所示。 2.1 傳感器的選擇及信號調(diào)理電路的設計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是由傳感器形成并發(fā)送的，傳感器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的源頭。傳感器選擇的合適與否將對數(shù)據(jù)采集及以后的分析工作產(chǎn)生重要影響。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號也是AMT電控單元ECU所用的，所以傳感器的選擇要兼顧AMT控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，綜合考慮。 AMT系統(tǒng)是一個多信號輸入系統(tǒng)按信號的類型可大致分為：模擬量，開關量，頻率量，相應的傳感器也就分為模擬量傳感器，開關量傳感器，頻率量傳感器。 模擬量包括加速踏板位移、選換檔位置、油門開度、離合器位移，選用旋轉(zhuǎn)電位器；開關量包括起步、倒檔選擇、制動踏板信號，選用普通按鈕；頻率量包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速（車速）選用霍爾式傳感器。 由傳感器輸出的信號并不能為電控系統(tǒng)ECU直接利用必須要經(jīng)過相應的處理。對于不同的信號其處理電路也是不同的。模擬信號經(jīng)過電纜引入控制系統(tǒng)后，在傳輸過程中容易受到干擾，在引入A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入管腳之前，應當進行濾波、放大和限幅使之在ECU的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊能夠處理的幅值范圍之內(nèi)。開關信號通過光電隔離后與ECU數(shù)據(jù)總線相連。頻率信號要經(jīng)過濾波、鉗位、放大和整形使之成為單片機能夠處理的脈沖信號。 2．2下位機的選擇及通訊接口的設計 下位機是數(shù)據(jù)采集的核心部分，其不但要完成自動換檔的相應控制還要完成數(shù)據(jù)采集的任務，它的選擇關系到整個AMT控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。我們選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的16位MC68HC912BC32單片機，它具有1000字節(jié)的RAM，768字節(jié)的EEPROM，32000字節(jié)的FLASH ，以及定時器TIM模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換ATD模塊、串行接口SCI與SPI模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM模塊以及在車輛電控系統(tǒng)中廣泛應用的CAN總線通訊接口等，其出色的性能為同時完成自動換檔控制和隨車數(shù)據(jù)采集任務提供了強有力的支持。 下位機MC68HC912BC32與上位機PC都帶有串行接口，它們之間的通訊就是通過串行口完成的。但是MC68HC912BC32的SCI口是CMOS電平，而PC機的串口是按照RS-232標準設計的，RS-232標準電平是負邏輯電平即“-3——-15V”為“1”，“+3——+15V” 為“0”，兩者的電平不兼容，系統(tǒng)選用MAX232作為接口芯片，連接電路如圖3所示。 2.3電源電路 汽車上的電源是+24V，單片機電源要+5V，系統(tǒng)采用DC/DC轉(zhuǎn)化電路將車上的+24V轉(zhuǎn)化為+5V，同時將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的地與車上電源的地進行隔離避免了相互干擾，保證采集系統(tǒng)的可靠性。 3.系統(tǒng)的軟件設計 硬件是系統(tǒng)的基礎，而軟件是系統(tǒng)的靈魂。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件主要包括兩部分：一部分是下位機的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件，用MOTOROLA單片機匯編語言編寫，一部分是上位機的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析處理以及監(jiān)測軟件用虛擬儀器的開發(fā)平臺LABVIEW編寫。 3.1下位機軟件的設計 由于下位機在運行采集和數(shù)據(jù)發(fā)送程序的同時，還要運行自動換檔的主控程序，因此為了使系統(tǒng)協(xié)調(diào)、高效工作，程序以中斷方式為主。 3.1.1數(shù)據(jù)組成 數(shù)據(jù)的異步串行傳輸以字節(jié)為單位，加一位起始位、一位停止位，無奇偶校驗位，組成一幀。多個字節(jié)組成數(shù)據(jù)塊，連續(xù)的數(shù)據(jù)塊組成數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)塊之間以同步字節(jié)分隔，上位機就是利用同步字節(jié)來定位數(shù)據(jù)幀的起始位置。系統(tǒng)中的模擬量在A/D轉(zhuǎn)換時是10位精度，頻率信號的采集用脈沖累加器為8位，開關量的采集用I/O口為8位。系統(tǒng)所有信號均10ms采樣一次。把10ms內(nèi)采集的數(shù)據(jù)打包成為一個數(shù)據(jù)幀。每幀數(shù)據(jù)由1個同步字節(jié)，16個數(shù)據(jù)字節(jié)共17個字節(jié)組成，這就要求1s內(nèi)發(fā)送1700個字節(jié)，加上串行傳輸?shù)囊晃黄鹗嘉?，一位停止位，?7000位/秒。因此采用串行通信的19200的波特率能夠滿足要求。 3.1.2數(shù)據(jù)采集軟件設計 各信號的采集由軟件定時器完成，每隔一定時間間隔產(chǎn)生一個中斷，利用這個軟件中斷啟動輸入信號的采樣、轉(zhuǎn)換和讀取，并將需要發(fā)送數(shù)據(jù)塊的首字節(jié)送入串口發(fā)送寄存器，從而啟動串口中斷服務程序。軟件定時器中斷服務程序如圖4所示。 3.1.3串行數(shù)據(jù)中斷發(fā)送程序設計 單片機向串口發(fā)送緩沖寄存器寫入所要發(fā)送的字節(jié)后，相關的串口硬件電路就自動地進行字節(jié)的并串轉(zhuǎn)換，向外發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后單片機會產(chǎn)生一個串口發(fā)送中斷，將下一個要發(fā)送的字節(jié)送入串口發(fā)送緩沖寄存器。程序如圖5所示。 3.2上位機軟件的設計 上位機軟件包括進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K；數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與顯示模塊；數(shù)據(jù)的自動存儲模塊；數(shù)據(jù)分析模塊。采用虛擬儀器技術的開發(fā)平臺LABVIEW編寫。 3.2.1虛擬儀器與LABVIEW簡介 虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）是計算機技術介入儀器領域所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類，在虛擬儀器中計算機軟件技術和測試系統(tǒng)更緊密地結合成了一個有機整體，它的廣泛應用是測試儀器技術的一次革命，是儀器領域的一個新里程碑。虛擬儀器以“軟件就是儀器”為思想與傳統(tǒng)儀器相比具有更好的靈活性、適應性?；居布_定以后，僅需改變軟件就可以實現(xiàn)不同的功能，滿足不同場合的要求。虛擬儀器應用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替。 LABVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）由美國NI公司提供的虛擬儀器的開發(fā)平臺，它提供了一種全新的程序編寫方法即G語言（graphic language）取代傳統(tǒng)的文本式編程語言，使編程的效率大大提高。它還具有強大的數(shù)據(jù)分析、處理、存儲、顯示函數(shù)庫。另外，LABVIEW 還提供了功能強大的VISA庫，VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫及相關規(guī)范的總稱。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的軟件層連接，是一個高層的API（應用程序接口），通過調(diào)用低層的驅(qū)動程序來控制儀器。NI-VISA的層次結構如圖6所示。 3.2.2通信模塊的設計 通信模塊包括對串口的配置和讀串口數(shù)據(jù)。通過調(diào)用VISA庫中的串行通信結點來實現(xiàn)對串口的配置，必須與下位機設置的通信協(xié)議保持一致。 VISA Configure Serial Port結點，用于完成對串口的初始化，主要參數(shù)設置如下： VISA resource name ：串口資源名，可以選擇COM1或COM2口； baud rate：波特率，為19200； data bit：一幀中的數(shù)據(jù)位數(shù)，為8位； parity：奇偶校驗位，設置為none； stop bit：停止位，為1。 VISA read結點，用于對串行數(shù)據(jù)的讀取，由于LABVIEW只能對字符進行讀取，因此在對數(shù)據(jù)的讀取后要調(diào)用“String To Byte Array”結點才能實現(xiàn)字符串與數(shù)字之間的正確轉(zhuǎn)換。以同步字節(jié)為基準把數(shù)據(jù)塊從數(shù)據(jù)流中分離出來，把數(shù)據(jù)幀從數(shù)據(jù)塊中分離出來，再從數(shù)據(jù)幀中提取有效的數(shù)據(jù)雙字節(jié)的進行組合形成數(shù)據(jù)數(shù)組。 3.2.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示、存儲模塊的設計 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是把由串口讀入的數(shù)據(jù)進行必要的換算以得到具有實際物理意義的數(shù)據(jù)，如把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)還原為實際的物理量、把頻率信號轉(zhuǎn)化為實際的轉(zhuǎn)速等。利用LABVIEW提供的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，可以很方便的實現(xiàn)。把轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)送給顯示VI，用表盤（gauge）、實時圖表（waveform chart）以直觀形式進行實時顯示。同時在后臺進行數(shù)據(jù)的自動存儲，把存儲的數(shù)據(jù)以文件的形式保存并配以文件標識，如時間、工況等，以便于以后的查找和分析。 3.2.3數(shù)據(jù)分析模塊 數(shù)據(jù)分析是對AMT系統(tǒng)的性能指標（如，換檔過程中離合器結合與分離的時間、換檔過程中的沖擊度與滑摩功等）進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、監(jiān)視和分析。通過分析可以評估換檔過程是否合理，對改善系統(tǒng)性能、確定控制軟件的具體參數(shù)和優(yōu)化軟件的控制策略提供直觀、快捷、精確量化的依據(jù)。LABVIEW可以實時圖表實時顯示性能指標，也可以把存儲的文件打開用事后圖表（waveform graph）進行事后分析。 4.結束語 該數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)具有界面友好、易于使用、功能豐富等優(yōu)點，通過大量隨車試驗表明該系統(tǒng)軟硬件工作穩(wěn)定可靠，滿足車輛各種工況下的使用要求。為AMT系統(tǒng)的控制策略的改善、參數(shù)的調(diào)整、性能的不斷優(yōu)化提供了有利的保障。 參考文獻： 1． 葛安林．車輛自動變速理論與設計．機械工業(yè)出版社． 2． 楊樂平 李海濤 楊磊．Labview 程序設計與應用．電子工業(yè)出版社．2005. 3． 楊國田 白焰.Motorola68HC12系列微控制器原理、應用與開發(fā)技術.中國電力出版社.2003. 4． 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法.清華大學出版社.2004. 作者簡介： 薛大為，合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院研究生，研究方向，控制理論與控制工程.通信地址：合肥工業(yè)大學393#， E-MAIL:xuedawei_66@163.com 孔慧芳，副教授，研究方向，控制理論與控制工程、電力電子.