袁清峰,劉志遠(yuǎn),趙天峰,馬 磊

(中國(guó)人民解放軍72465部隊(duì)，濟(jì)南 250022)

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一種車(chē)輛狀態(tài)通用自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁清峰,劉志遠(yuǎn),趙天峰,馬 磊

(中國(guó)人民解放軍72465部隊(duì)，濟(jì)南 250022)

當(dāng)前裝備車(chē)輛底盤(pán)數(shù)據(jù)大都通過(guò)儀表盤(pán)進(jìn)行顯示，而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，造成對(duì)車(chē)輛的基本技術(shù)狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行有效的評(píng)估和故障趨勢(shì)分析；針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種對(duì)車(chē)輛底盤(pán)狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集和記錄的裝置，通過(guò)一個(gè)通用的多PIN接口與車(chē)輛儀表盤(pán)信號(hào)線(xiàn)相連，選用LPC1766微控制器進(jìn)行底盤(pán)傳感器輸出信號(hào)的采集，設(shè)計(jì)了波形采集算法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種典型采集信號(hào)參數(shù)的計(jì)算，通過(guò)RS485通訊接口將數(shù)據(jù)上傳至車(chē)載終端進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)；試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用表明，該系統(tǒng)解決了多種車(chē)輛底盤(pán)參數(shù)的采集記錄問(wèn)題，具有響應(yīng)靈敏、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

底盤(pán)參數(shù)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置；采集算法

0 引言

隨著各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及其在裝備中的應(yīng)用，裝備作戰(zhàn)技術(shù)性能提高的同時(shí)其復(fù)雜程度也相應(yīng)增大，進(jìn)而產(chǎn)生較高的故障率，嚴(yán)重影響了裝備的運(yùn)行狀態(tài)[1]。準(zhǔn)確掌握裝備運(yùn)行的狀態(tài)，保持其戰(zhàn)備完好性是進(jìn)行裝備訓(xùn)練和執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的基礎(chǔ)，是對(duì)裝備進(jìn)行視情維護(hù)的重要依據(jù)[2]。

這就使得信息化條件下對(duì)裝備車(chē)輛狀態(tài)的監(jiān)控要求尤為迫切，目前大多數(shù)裝備車(chē)輛狀態(tài)信息大都通過(guò)儀表盤(pán)進(jìn)行顯示，對(duì)于車(chē)輛底盤(pán)的關(guān)鍵參數(shù)信息沒(méi)有進(jìn)行記錄存儲(chǔ)和智能處理，而這些信息的記錄處理對(duì)于掌握裝備車(chē)輛的狀態(tài)性能和制定車(chē)輛維護(hù)保養(yǎng)策略具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)這些數(shù)據(jù)的積累是裝備車(chē)輛底盤(pán)故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。對(duì)于擁有CAN總線(xiàn)的新型車(chē)輛，可以直接通過(guò)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)讀取車(chē)輛工作狀態(tài)參數(shù)信息；但是對(duì)于無(wú)此總線(xiàn)的車(chē)輛，如何準(zhǔn)確地得到各種車(chē)輛參數(shù)成為亟待解決的難題。

本文以某型裝備底盤(pán)為對(duì)象，對(duì)底盤(pán)各類(lèi)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)信號(hào)進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)的通用自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，此監(jiān)測(cè)裝置可通過(guò)網(wǎng)口或RS485同外接智能處理終端進(jìn)行交互，為裝備保障信息化提供了底層數(shù)據(jù)支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置包含一個(gè)通用的多PIN接口與車(chē)輛的儀表盤(pán)信號(hào)線(xiàn)相連，一個(gè)高速AD采樣芯片、高速主控芯片，一個(gè)RS-485通訊接口以及一套內(nèi)嵌的底盤(pán)傳感器輸出信號(hào)波形分析算法，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1 主控單元

監(jiān)測(cè)裝置主控芯片采用NXP公司基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器LPC1766，可以完成所有的控制、采樣和運(yùn)算。Cortex-M3架構(gòu)是專(zhuān)門(mén)面向工業(yè)控制的新型32 bit的處理器架構(gòu)，ARM Cortex-M3內(nèi)核與ARM7核相比采用了更先進(jìn)的ARMv7架構(gòu)，具有先進(jìn)的中斷處理能力，其中斷延遲最大只需12個(gè)周期。

基于該架構(gòu)的LPC1766操作頻率可達(dá)100 MHz，具有3級(jí)流水線(xiàn)和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線(xiàn)以及用于外設(shè)的第3條總線(xiàn)，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25 MIPS/MHz[3]。此外，還提供豐富的外設(shè)和多種低功耗模式具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)裝置對(duì)采集信號(hào)的處理要求。

1.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

采用16路12 bitA/D進(jìn)行采集，每秒可采集10 000個(gè)采樣點(diǎn)，誤差控制在1%以?xún)?nèi)，通過(guò)對(duì)底盤(pán)傳感器輸出信號(hào)的分析，可完全滿(mǎn)足信號(hào)實(shí)時(shí)采集的需要。

1.3 傳感器參數(shù)檢測(cè)算法

針對(duì)不同的傳感器類(lèi)型采用相應(yīng)算法以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器輸出信號(hào)的采樣和分析處理。目前裝備傳感器信號(hào)可分成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩種，模擬信號(hào)可以分成直流電壓信號(hào)、動(dòng)態(tài)波形信號(hào)、交流周期信號(hào)、電流信號(hào)等；數(shù)字信號(hào)一般都是用高低電平來(lái)標(biāo)識(shí)某種工作狀態(tài)。

模擬電壓信號(hào)需要根據(jù)信號(hào)大小通過(guò)分壓電路將其先分壓到適合A/D采樣的電壓(0～3.3 V)，然后輸入到主控芯片A/D中進(jìn)行采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換，采樣率為10 K/s。通過(guò)對(duì)裝備傳感器輸出電壓信號(hào)的分析，模擬電壓信號(hào)的參數(shù)檢測(cè)算法分為以下3種：直流電壓信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)算法；方波電壓信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)算法；正弦波電壓信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)算法。對(duì)于電流信號(hào)，通過(guò)高精密度電阻，產(chǎn)生一定的壓降，通過(guò)計(jì)算得到該高精度電阻的電流，從而得到外部電流信號(hào)的值。

數(shù)字信號(hào)如果電壓值不在0～5 V內(nèi)也需要分壓到TTL電平范圍內(nèi)，然后接入到主控芯片的I/O端口上。數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)主要通過(guò)主控CPU內(nèi)部的數(shù)字邏輯來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2 監(jiān)測(cè)裝置具體實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

主控采用Cortex-M3，自帶16路ADC和64路IO端口，512KFLASH，可以定期儲(chǔ)存一定的采集參數(shù)信息。采集器包含一個(gè)通用的60PIN帶鎖止的接口，可與不同類(lèi)型的裝備車(chē)輛底盤(pán)傳感器信號(hào)輸出端相連接，裝上不同的60PIN連接線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器輸出信號(hào)的采集。

圖2 信息采集器組成

圖2為信息采集器的架構(gòu)圖，信息采集器由以下4個(gè)部分組成：

1)MCU及AD。由于采用單芯片方案，MCU與AD結(jié)合在一起，用以處理傳感器數(shù)據(jù)。

2)總線(xiàn)接口。采用雙線(xiàn)RS-485總線(xiàn)接口，用于連接采集器和車(chē)載終端進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的通訊，也可直接與使用RS-485串口輸出的傳感器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此RS-485串口還可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為通用的RS-232串口，用于直接與車(chē)載終端或者與使用RS-232串口輸出的傳感器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3)參考電源。使用底盤(pán)電瓶進(jìn)行穩(wěn)壓以后作為參考電源使用。

4)通用接口。采用60PIN的接口，此接口通過(guò)定制不同的線(xiàn)纜可以接駁不同的裝備車(chē)輛傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行參數(shù)采集。每個(gè)PIN腳旁邊都留有分壓電路的連接點(diǎn)，可以通過(guò)不同的分壓電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)采集0～36 V范圍內(nèi)各種電壓值。60PIN中包含16個(gè)模擬信號(hào)采集腳、36個(gè)數(shù)字信號(hào)采集腳、電源輸入腳和地、以及其他保留腳。實(shí)際應(yīng)用于某型裝備的底盤(pán)信息采集器和底盤(pán)信號(hào)連接示意圖如圖3所示。

圖3 底盤(pán)信息采集器和底盤(pán)信號(hào)連接示意圖

一種裝備戰(zhàn)車(chē)通常需要兩個(gè)信息采集器，一個(gè)用于采集底盤(pán)信息，一個(gè)用于采集上裝信息。連接底盤(pán)時(shí)，從60PIN接頭處引出所需連線(xiàn)接入到儀表盤(pán)后的電路中；連接上裝時(shí)，一端接入到60PIN接口，另一端使用匹配的航空插頭接入上裝的檢測(cè)端口。MCU上所有的ADC口和IO口均連接至60PIN通用接口處以便接駁其他裝備。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算處理后通過(guò)RS-485串口上傳至車(chē)載終端，用以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示和記錄。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用Coocox CoOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它具有高度可裁剪性，最小系統(tǒng)內(nèi)核僅974Byte。CoOS本身包括了任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理以及任務(wù)間的通信與同步等功能。系統(tǒng)軟件部分主要包括初始化模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和外部中斷控制模塊，具體功能如下：

1)初始化模塊：主要完成設(shè)備上電啟動(dòng)后系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)自檢兩方面的任務(wù)。

2)采樣控制模塊：設(shè)定采樣頻率和時(shí)序，對(duì)所有傳感器輸出信號(hào)的采樣進(jìn)行控制。

3)采集算法：針對(duì)不同傳感器輸出信號(hào)的采集值，處理所有采樣數(shù)據(jù)以計(jì)算分析出信號(hào)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

4)外部中斷控制：檢測(cè)外部中斷源以采集突發(fā)的信號(hào)，比如自檢結(jié)果數(shù)據(jù)、故障告警信息等。

2.3 信息采集方式

根據(jù)信息的產(chǎn)生方式，裝備車(chē)輛一共有兩種類(lèi)型的參數(shù)：實(shí)時(shí)參數(shù)、自檢參數(shù)。

實(shí)時(shí)參數(shù)是由戰(zhàn)車(chē)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，戰(zhàn)車(chē)發(fā)動(dòng)工作以后就開(kāi)始采集這些參數(shù)。實(shí)時(shí)參數(shù)包括底盤(pán)電流、底盤(pán)電壓、缸溫、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、底盤(pán)油溫、傳動(dòng)箱油壓、油量、里程、車(chē)速、轉(zhuǎn)速、摩托小時(shí)、上裝各種電壓信號(hào)等。對(duì)傳感器輸出的不同類(lèi)型信號(hào)分別采用不同的檢測(cè)算法進(jìn)行采集和運(yùn)算。

自檢參數(shù)是在裝備進(jìn)行上裝自檢時(shí)產(chǎn)生的，采集器檢測(cè)到戰(zhàn)車(chē)進(jìn)行自檢后采集自檢結(jié)果。自檢參數(shù)包括武器系統(tǒng)各組成分系統(tǒng)的自檢結(jié)果和故障告警信息。

3 采集算法設(shè)計(jì)

對(duì)于某型裝備車(chē)輛底盤(pán)傳感器輸出的不同類(lèi)型的模擬電信號(hào)與實(shí)際物理量之間的計(jì)算關(guān)系總結(jié)如下：

1)直流電壓信號(hào)參數(shù)的計(jì)算方法：采用多次采樣取平均值的辦法來(lái)確定電壓的精確值，因?yàn)閼?zhàn)車(chē)底盤(pán)傳感器輸出的電壓信號(hào)會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，需要做多次平均以得到比較準(zhǔn)確的電壓值。由于裝備工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、傳感器測(cè)量噪聲、采集系統(tǒng)故障等因素，會(huì)產(chǎn)生一些明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行分析提取和剔除，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)和異常點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)比對(duì)可以基本確定異常的來(lái)源并排除，以保證數(shù)據(jù)的可用性和有效性。對(duì)采集值進(jìn)行預(yù)處理后，采用1秒中平均一次的辦法，每秒取20個(gè)數(shù)據(jù)平均后得到此秒時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值。

2)方波信號(hào)參數(shù)的計(jì)算方法：戰(zhàn)車(chē)中有些參數(shù)的信號(hào)是一個(gè)類(lèi)似于方波的波形，用波形的頻率來(lái)代表參數(shù)的值。通過(guò)測(cè)量確定信號(hào)的頻率最大為500 Hz，對(duì)應(yīng)10 K/s的采樣率每個(gè)周期至少可以采樣20個(gè)點(diǎn)，每隔1秒對(duì)參數(shù)處理一次，把所有的10 000個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，高于中間電平的統(tǒng)一算為1，低于的則為0。因?yàn)檐?chē)輛里干擾源較多經(jīng)常會(huì)使得波形含有毛刺需要進(jìn)行去毛刺處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)度小于3的連續(xù)0或者1時(shí)即認(rèn)為是毛刺從而進(jìn)行過(guò)濾。去完毛刺后統(tǒng)計(jì)1秒內(nèi)所有高低電平變化的次數(shù)即可得出波形的頻率，進(jìn)而得出傳感信號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理參數(shù)值。

3)正弦波信號(hào)參數(shù)的計(jì)算方法：戰(zhàn)車(chē)的某些信號(hào)表現(xiàn)類(lèi)似于一個(gè)正弦波信號(hào)，同樣是需要得出波形的頻率來(lái)取得其實(shí)際對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。首先要把正負(fù)電壓的波形變換到0～3 V的ADC可采樣范圍內(nèi)，然后確定高低電平的閾值，分壓后最高點(diǎn)電壓為2.8 V，最低為0.2 V，所以取中間電平1.5 V作為判斷0或者1的分界點(diǎn)，高于1.5 V判為1、反之為0。使用與2)同樣的去毛刺方法去掉波形中的毛刺，最后統(tǒng)計(jì)1秒內(nèi)所有高低電平變化的次數(shù)即可得出波形的頻率。

4 測(cè)量結(jié)果分析

自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，選取某型戰(zhàn)車(chē)底盤(pán)典型的4個(gè)狀態(tài)參數(shù)，在戰(zhàn)車(chē)穩(wěn)定工作的情況下對(duì)其底盤(pán)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)對(duì)采集信號(hào)參數(shù)和實(shí)際物理量的換算，與同一時(shí)刻儀表盤(pán)顯示的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，其測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 本裝置測(cè)量值與儀表盤(pán)顯示值對(duì)比

由表1可以看出，本文實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置可準(zhǔn)確測(cè)量還原出車(chē)輛底盤(pán)的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)信息，實(shí)際上相比儀表盤(pán)的刻度顯示，本裝置更能精確地完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和記錄，為實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的有效性能評(píng)估和故障趨勢(shì)分析提供了數(shù)據(jù)積累。

5 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種裝備車(chē)輛底盤(pán)狀態(tài)通用自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)CAN總線(xiàn)的車(chē)輛底盤(pán)信息進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、分析和存儲(chǔ)，解決了車(chē)輛底盤(pán)參數(shù)無(wú)法記錄的問(wèn)題，為裝備車(chē)輛的日常管理、事故分析和健康狀態(tài)評(píng)估提供了可靠依據(jù)。

[1] 邱文昊,黃考利,連光耀,等.某型復(fù)雜裝備車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(5):1589-1591.

[2] 左憲章, 康 健,李 浩,等. 故障預(yù)測(cè)技術(shù)綜述 [J]. 火力與指揮控制,2010,35(1):1-5.

[3] 周立功,等. 深入淺出Cortex-M3——LPC1700[Z]. 廣州:廣州致遠(yuǎn)電子有限公司,2010.

Design and Application of Universal Auto Test Equipment for Parameters of Vehicle Status

Yuan Qingfeng,Liu Zhiyuan,Zhao Tianfeng,Ma Lei

(No.72465 Unit of the Chinese People’s Liberation Army, Jinan 250022, China)

The status data of vehicle chassis is expressed through instrument board, which is not sampled and saved. So status estimation and fault prediction is not executed effectively. A kind of auto test equipment (ATE) which samples vehicle status has been designed. The proposed ATE is connected to instrument board through the universal PIN interface. The design chooses LPC1766 microcontroller to collect data from chassis sensors, and it designs sample algorithm to calculate the parameters of representative signals, then sends relevant test data to the on-board PC for display, analysis and storage by RS 485 serial communication. The experiment and application results show that the proposed ATE which can complete sample and storage according to general vehicle chassis has sensitive response and accurate measuring range, and it has a high application value.

vehicle chassis status; auto test system; sample algorithm

2015-09-28；

2015-11-05。

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M562661)。

袁清峰(1981-)，男，山東費(fèi)縣人，工學(xué)博士，工程師，主要從事裝備測(cè)試與維修、裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理等方向的研究。

1671-4598(2016)06-0015-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.004

TP274

A