随车试验分析开发械式自动变速系统论文

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编者按：本文主要从引言；系统的组成；系统的硬件设计；系统的软件设计；结束语进行论述。其中，主要包括：AMT系统是一个复杂的多输入多输出控制系统、参数多，变化快、数据采集系统的信号同时也是AMT的电控制单元ECU所需要的、系统的硬件主要有以下几个部分、AMT系统按信号的类型可大致分、传感器的选择及信号调理电路的设计、下位机的选择及通讯接口的设计、电源电路、数据采集系统的软件主要包括、下位机软件的设计、数据采集软件设计、串行数据中断发送程序设计、上位机软件的设计、数据转换、显示、存储模块的设计、软件的前面板主界面等，具体请详见。

摘要：本文介绍了基于串行通信与虚拟仪器技术的汽车AMT数据采集系统，阐述了系统的工作原理、硬件设计以及上下位机软件设计。数据采集系统对械式自动变速系统(AMT)的开发有重要意义。

关键词：AMT；数据采集；串行通信；虚拟仪器

0引言

机械式自动变速即AMT(AutomatedMechanicalTransmission)，是在原有的机械变速器离合器结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离、接合、摘档与悬挂档以及发动机相应同步调节等操作，最终实现换档全过程操纵的自动化。AMT系统是一个复杂的多输入多输出控制系统、参数多，变化快，时间历程短。在开发的不同阶段都需要做大量的实验采集大量的数据作为系统设计与优化的依据。随车数据采集系统对开发AMT具有重要意义，出于研究、设计AMT的需要我们开发了这样一个系统。

1系统的组成

数据采集系统的信号同时也是AMT的电控制单元ECU所需要的，为了系统结构简单，采集系统下位机与AMT的控制系统可共用部分硬件并在此基础上增加串行通讯接口电路。PC机具有强大的功能和丰富的软件，因此我们选择装有WINDOWSXP操作系统的便携式PC机作为上位机。下位机负责完成数据的采集和转换并将数据通过串口传给上位机，上位机负责把接收到的数据进行分类、存储以及分析把研究人员所关心的数据显示出来。

2系统的硬件设计

系统的硬件主要有以下几个部分：传感器，信号调理电路，下位机（ECU），串行通讯接口电路，电源电路，上位机（PC），以及一些必要的外围电路，结构框图如图1所示。

图1系统硬件框图

2.1传感器的选择及信号调理电路的设计

AMT系统按信号的类型可大致分为：模拟量，开关量，频率量，相应的传感器也就分为模拟量传感器，开关量传感器，频率量传感器。模拟量包括加速踏板位移、选换档位置、油门开度、离合器位移，选用旋转电位器；开关量包括起步、倒档选择、制动踏板信号，选用普通按钮；频率量包括发动机转速、输入轴转速、输出轴转速（车速）选用霍尔式传感器。

由传感器输出的信号并不能为电控系统ECU直接利用必须要经过相应的处理。模拟信号在传输过程中容易受到干扰，在引入A/D转换模块的模拟输入管脚之前，应当进行滤波、放大和限幅使之在ECU的模数转换模块能够处理的幅值范围之内。开关信号通过光电隔离后与ECU数据总线相连。频率信号要经过滤波、钳位、放大和整形使之成为单片机能够处理的脉冲信号。模拟信号、开关信号调理电路分别如图2、图3所示。

图2模拟信号调理电路

图3开关信号调理电路

2.2下位机的选择及通讯接口的设计

下位机选用MOTOROLA公司生产的16位MC68HC912BC32单片机，其出色的性能为同时完成自动换档控制和随车数据采集任务提供了强有力的支持。下位机与上位机都带有串行接口，它们之间的通讯就是通过串行口完成的。但是MC68HC912BC32的SCI口是CMOS电平，而PC机的串口是按照RS-232标准设计的，RS-232标准电平是负逻辑电平即“-3—15V”为“1”，“+3—+15V”为“0”，两者的电平不兼容，系统选用MAX232作为接口芯片，连接电路如图4所示。

图4串口电平转换电路

2.3电源电路

汽车上的电源是+24V，单片机电源+5V，系统采用DC/DC转化电路将车上的+24V转化为+5V，同时将数据采集系统的地与车上电源的地进行隔离避免了相互干扰，保证采集系统的可靠性。电源电路如图5所示。

图5电源电路

3系统的软件设计

数据采集系统的软件主要包括两部分：一部分是下位机的数据采集和发送软件，用MOTOROLA单片机汇编语言编写，一部分是上位机的数据接收、数据分析处理以及监测软件用虚拟仪器的开发平台LabVIEW编写。

3.1下位机软件的设计

下位机在运行采集和数据发送程序的同时，还要运行自动换档的主控程序，为了使系统协调、高效工作，程序以中断方式为主。

3.1.1数据组成

数据的异步串行传输以字节为单位，加一位起始位、一位停止位，无奇偶校验位，组成一帧。系统所有信号均10ms采样一次。把10ms内采集的数据打包成为一个数据块。每块数据由1个同步字节，16个数据字节共17个字节组成，这就要求1s内发送1700个字节，加上串行传输的一位起始位，一位停止位，即17000位/秒。因此采用串行通信的19200的波特率能够满足要求。

3.1.2数据采集软件设计

各信号的采集由软件定时器完成，每隔一定时间间隔产生一个中断，利用这个软件中断启动输入信号的采样、转换和读取，并将需要发送数据块的首字节送入串口发送寄存器，从而启动串口中断服务程序。软件定时器中断服务程序如图6所示。

3.1.3串行数据中断发送程序设计

单片机向串口发送缓冲寄存器写入所要发送的字节后，相关的串口硬件电路就自动地进行字节的并串转换，向外发送数据，发送完毕后单片机会产生一个串口发送中断，将下一个要发送的字节送入串口发送缓冲寄存器。程序如图7所示。

图6软件定时中断程序

图7串行数据中断发送程序

3.2上位机软件的设计

上位机软件包括进行数据传输的通信模块；数据的转换与显示模块；数据的自动存储模块。采用虚拟仪器技术的开发平台LabVIEW编写。LabVIEW由美国NI公司提供的虚拟仪器的开发平台，它提供了一种全新的程序编写方法即G语言（graphiclanguage）取代传统的文本式编程语言，使编程的效率大大提高。还具有强大的数据分析、处理、存储、显示函数库。另外，LabVIEW提供了功能强大的VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）库即用于仪器编程的标准I/O函数库及相关规范的总称，VISA库驻留于计算机系统中，是一个高层的API（应用程序接口），通过调用低层的驱动程序来控制仪器。

3.2.1通信模块的设计

通信模块包括对串口的配置和读串口数据。通过调用VISA库中的串行通信结点来实现对串口的初始化，此配置必须与下位机设置的通信协议保持一致。

3.2.2数据转换、显示、存储模块的设计

数据转换是把由串口读入的数据进行必要的换算以得到具有实际物理意义的数据，如把A/D转换的数据还原为实际的物理量、把频率信号转化为实际的转速等。并进行实时显示。同时在后台进行数据的自动存储，把存储的数据以文件的形式保存并配以文件标识，如时间、工况等，以便于以后的查找和分析。

3.2.3软件的前面板主界面

上位机软件主界面主要包含串行口的设置区、数据显示区以及文件操作区。如图8所示。

图8上位机软件主界面

4结束语

该数据采集及分析系统具有界面友好、易于使用、功能丰富等优点，通过大量随车试验表明该系统软硬件工作稳定可靠，满足车辆各种工况下的使用要求。为AMT系统的控制策略的改善、参数的调整、性能的不断优化提供了有利的保障。

参考文献：

[1]葛安林．车辆自动变速理论与设计[M]．机械工业出版社．1995

[2]杨乐平李海涛杨磊．Labview程序设计与应用[M]．电子工业出版社．2005.

[3]杨国田白焰.Motorola68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术[M].中国电力出版社.2003.

邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].清华大学出版社.2004.