摘要：數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)對(duì)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(shù)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(shè)計(jì)。 關(guān)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(jī)械式自動(dòng)變速器，是在原有的機(jī)械變速器離合器結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過加裝微機(jī)控制的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)相應(yīng)同步調(diào)節(jié)等操作，最終實(shí)現(xiàn)換檔全過程操縱的自動(dòng)化它既具有AT 自動(dòng)變速的優(yōu)點(diǎn)又保留來原手動(dòng)變速器MT齒輪傳動(dòng)效率高成本低結(jié)構(gòu)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(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)、參數(shù)多，變化快，時(shí)間歷程短。一般憑人工直接觀測(cè)或普通的測(cè)試儀表難以觀察到的一些現(xiàn)象，特別是多個(gè)控制參數(shù)瞬息變化的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，只有利用數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，才能進(jìn)行完整、細(xì) 致的分析。自動(dòng)換檔操縱系統(tǒng)對(duì)于多個(gè)設(shè)計(jì)方案的選擇，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件的確 定，特別是軟件的設(shè)計(jì)、調(diào)試，都有賴于通過大量的試驗(yàn)、試車。隨著自動(dòng) 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(dòng)變速 系統(tǒng)對(duì)不同駕駛員、道路、車況的適應(yīng)性，這些都需要做大量的試驗(yàn)，采集 一定量的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。即使有了大量的數(shù)據(jù)，要想得到技術(shù)人員關(guān)心的性能指標(biāo)，還要對(duì)其進(jìn)行處理和分析。這些工作的完成對(duì)人來說是很費(fèi)時(shí)的，利用數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng) 可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行處理和分析，很快地得到有用的試驗(yàn)結(jié)果，并以形象直觀的方式提供給設(shè)計(jì)人員。由于隨車數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)對(duì)開發(fā)AMT具有重要意義，出于研究、設(shè)計(jì)AMT的需要我們開發(fā)了這樣一個(gè)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(shí)現(xiàn)方式：一種是基于數(shù)據(jù)采集卡的單上位機(jī)方式，一種是基于AMT電控單元ECU作為下位機(jī)PC機(jī)作為上位機(jī)的方式。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)同時(shí)也是AMT的電控制單元ECU所要用的，為了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采集系統(tǒng)下位機(jī)與AMT的控制系統(tǒng)可共用部分硬件并在此基礎(chǔ)上增加串行通訊接口電路。由于PC機(jī)具有強(qiáng)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(jī)作為上位機(jī)。下位機(jī)負(fù)責(zé)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(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)以及分析把研究人員所關(guān)心的數(shù)據(jù)顯示出來。 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件主要有以下幾個(gè)部分：傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，下位機(jī)（ECU），串行通訊接口電路，電源電路，上位機(jī)（PC），以及一些必要的外圍電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 2.1 傳感器的選擇及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)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(duì)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(hào)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(gè)多信號(hào)輸入系統(tǒng)按信號(hào)的類型可大致分為：模擬量，開關(guān)量，頻率量，相應(yīng)的傳感器也就分為模擬量傳感器，開關(guān)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(guān)量包括起步、倒檔選擇、制動(dòng)踏板信號(hào)，選用普通按鈕；頻率量包括發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)并不能為電控系統(tǒng)ECU直接利用必須要經(jīng)過相應(yīng)的處理。對(duì)于不同的信號(hào)其處理電路也是不同的。模擬信號(hào)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(yīng)當(dāng)進(jìn)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(guān)信號(hào)通過光電隔離后與ECU數(shù)據(jù)總線相連。頻率信號(hào)要經(jīng)過濾波、鉗位、放大和整形使之成為單片機(jī)能夠處理的脈沖信號(hào)。 2．2下位機(jī)的選擇及通訊接口的設(shè)計(jì) 下位機(jī)是數(shù)據(jù)采集的核心部分，其不但要完成自動(dòng)換檔的相應(yīng)控制還要完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，它的選擇關(guān)系到整個(gè)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(jī)，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(shí)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(yīng)用的CAN總線通訊接口等，其出色的性能為同時(shí)完成自動(dòng)換檔控制和隨車數(shù)據(jù)采集任務(wù)提供了強(qiáng)有力的支持。 下位機(jī)MC68HC912BC32與上位機(jī)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(jī)的串口是按照RS-232標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平是負(fù)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(jī)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(shí)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的地與車上電源的地進(jìn)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(shè)計(jì) 硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(jī)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件，用MOTOROLA單片機(jī)匯編語言編寫，一部分是上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析處理以及監(jiān)測(cè)軟件用虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)LABVIEW編寫。 3.1下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì) 由于下位機(jī)在運(yùn)行采集和數(shù)據(jù)發(fā)送程序的同時(shí)，還要運(yùn)行自動(dòng)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(yàn)位，組成一幀。多個(gè)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(jī)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(shí)是10位精度，頻率信號(hào)的采集用脈沖累加器為8位，開關(guān)量的采集用I/O口為8位。系統(tǒng)所有信號(hào)均10ms采樣一次。把10ms內(nèi)采集的數(shù)據(jù)打包成為一個(gè)數(shù)據(jù)幀。每幀數(shù)據(jù)由1個(gè)同步字節(jié)，16個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)共17個(gè)字節(jié)組成，這就要求1s內(nèi)發(fā)送1700個(gè)字節(jié)，加上串行傳輸?shù)囊晃黄鹗嘉唬晃煌Ｖ刮唬?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(shè)計(jì) 各信號(hào)的采集由軟件定時(shí)器完成，每隔一定時(shí)間間隔產(chǎn)生一個(gè)中斷，利用這個(gè)軟件中斷啟動(dòng)輸入信號(hào)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(dòng)串口中斷服務(wù)程序。軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序如圖4所示。 3.1.3串行數(shù)據(jù)中斷發(fā)送程序設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(guān)的串口硬件電路就自動(dòng)地進(jìn)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(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串口發(fā)送中斷，將下一個(gè)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(jī)軟件的設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件包括進(jìn)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(dòng)存儲(chǔ)模塊；數(shù)據(jù)分析模塊。采用虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)平臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)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(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體，它的廣泛應(yīng)用是測(cè)試儀器技術(shù)的一次革命，是儀器領(lǐng)域的一個(gè)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(yīng)性。基本硬件確定以后，僅需改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，滿足不同場合的要求。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)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(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)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(tái)，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(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)、顯示函數(shù)庫。另外，LABVIEW 還提供了功能強(qiáng)大的VISA庫，VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA庫駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，是一個(gè)高層的API（應(yīng)用程序接口），通過調(diào)用低層的驅(qū)動(dòng)程序來控制儀器。NI-VISA的層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。 3.2.2通信模塊的設(shè)計(jì) 通信模塊包括對(duì)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(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的配置，必須與下位機(jī)設(shè)置的通信協(xié)議保持一致。 VISA Configure Serial Port結(jié)點(diǎn)，用于完成對(duì)串口的初始化，主要參數(shù)設(shè)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(yàn)位，設(shè)置為none； stop bit：停止位，為1。 VISA read結(jié)點(diǎn)，用于對(duì)串行數(shù)據(jù)的讀取，由于LABVIEW只能對(duì)字符進(jìn)行讀取，因此在對(duì)數(shù)據(jù)的讀取后要調(diào)用“String To Byte Array”結(jié)點(diǎn)才能實(shí)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(zhǔn)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(jìn)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(chǔ)模塊的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是把由串口讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的換算以得到具有實(shí)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(shí)際的物理量、把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)圖表（waveform chart）以直觀形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)，把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以文件的形式保存并配以文件標(biāo)識(shí)，如時(shí)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(duì)AMT系統(tǒng)的性能指標(biāo)（如，換檔過程中離合器結(jié)合與分離的時(shí)間、換檔過程中的沖擊度與滑摩功等）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)視和分析。通過分析可以評(píng)估換檔過程是否合理，對(duì)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(shí)時(shí)圖表實(shí)時(shí)顯示性能指標(biāo)，也可以把存儲(chǔ)的文件打開用事后圖表（waveform graph）進(jìn)行事后分析。 4.結(jié)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(diǎn)，通過大量隨車試驗(yàn)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(xiàn)： 1． 葛安林．車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)．機(jī)械工業(yè)出版社． 2． 楊樂平 李海濤 楊磊．Labview 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)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(yīng)用與開發(fā)技術(shù).中國電力出版社.2003. 4． 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.清華大學(xué)出版社.2004. 作者簡介： 薛大為，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)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(xué)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.