基于無線通信的客車氣路氣密性能檢測裝置

王 鋒，常 靜

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450061；2.中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，鄭州 450007）

客車制動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓式和氣壓式兩種。目前4 t以上的載貨汽車、客車幾乎都使用氣壓制動(dòng)?？蛙嚉夤苈返臍饷苄灾苯佑绊懙娇蛙嚨妮敋馀c剎車制動(dòng)性能，與人們的生命財(cái)產(chǎn)密切相關(guān)。

車輛氣密性傳統(tǒng)的檢測方式為整車（底盤）制動(dòng)系統(tǒng)在一定壓力下，采用機(jī)械氣壓表測量一段時(shí)間內(nèi)壓力降低情況。由于整車（底盤）管路復(fù)雜，為保證檢測精度，需要較長的檢測時(shí)間。因檢測周期長、效率低下，很容易導(dǎo)致最終出廠產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。

本文提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的客車氣路氣密性能檢測的解決方案。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)干個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大為255個(gè)，參考成本低，也遠(yuǎn)比Bluetooth和Wifi更有優(yōu)勢。該方案通過傳感器測量氣路的氣壓和溫度參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)處理，對(duì)每輛車的氣密性進(jìn)行診斷，保證其行駛過程中能正常制動(dòng)。

1 系統(tǒng)氣路檢測原理

對(duì)一個(gè)密封容器充入一定質(zhì)量的壓縮空氣，使它的內(nèi)部壓力達(dá)到檢測時(shí)的要求。假設(shè)該密封容器無泄漏，并且與外界無熱量交換，經(jīng)過一段時(shí)間，這個(gè)密封容器的內(nèi)部壓力會(huì)保持在檢測壓力的水平上。如果該容器有泄漏，它內(nèi)部壓力必定小于檢測壓力，根據(jù)檢測這段時(shí)間內(nèi)密封容器的壓力變化即可推導(dǎo)出密封容器的泄漏參數(shù)。常用的方法有直壓法檢測和差壓法檢測兩種。直壓法只能用于大漏測量，即泄漏壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)誤差和環(huán)境變化引起的誤差。差壓法檢測引入了對(duì)比工件，采用精密對(duì)稱氣路，將一個(gè)認(rèn)為無泄漏的對(duì)比工件接入檢測氣路。一般差壓傳感器的量程較小（5 kPa），在同等精度下，誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直壓傳感器[1-2]。系統(tǒng)采用直壓法、差壓法綜合方法檢測。系統(tǒng)氣路檢測原理如圖1所示。

測試時(shí)將閥門打開接測試系統(tǒng)。測試結(jié)束時(shí)，將閥門關(guān)閉，卸掉測試系統(tǒng)，客車恢復(fù)原狀可以正常行駛。

系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。該系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、接入節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)傳感器檢測節(jié)點(diǎn)組成分布式網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器檢測節(jié)點(diǎn)分布于需要檢測的氣路點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)氣密性數(shù)據(jù)的檢測和處理，并通過無線射頻信號(hào)發(fā)射出去；接入點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)組織無線網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線射頻信號(hào)，通過USB接口送入監(jiān)控主機(jī)，并給從機(jī)分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)；同時(shí)從從機(jī)節(jié)點(diǎn)取得PC主機(jī)需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)之間的通信；監(jiān)控主機(jī)放在監(jiān)控室，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。監(jiān)控中心的軟件是采用高級(jí)語言開發(fā)環(huán)境VB和MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫開發(fā)，實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里面，同時(shí)，支持對(duì)數(shù)據(jù)庫的有條件查詢、增加或刪除記錄等管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖3?？蛙嚉饴窔饷苄阅軝z測系統(tǒng)負(fù)責(zé)四個(gè)檢測工位設(shè)備的動(dòng)作及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體控制，包括系統(tǒng)的壓力信號(hào)和差壓信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算和判斷；系統(tǒng)各個(gè)電磁閥和氣控閥的動(dòng)作控制；測試結(jié)果的指示；系統(tǒng)故障報(bào)警以及測試結(jié)果的上位機(jī)通訊等。

系統(tǒng)硬件使用一個(gè)直壓和差壓傳感器檢測壓力變化及溫度傳感器測溫，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路之后，將采集到的信號(hào)送入STM32F103RBT6處理器進(jìn)行處理運(yùn)算，判斷壓力變化值是否符合預(yù)設(shè)數(shù)值范圍。如果符合，則輸出顯示。如果所測數(shù)值超過了預(yù)設(shè)范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并顯示其測得量的變化率。所檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線通信發(fā)送至PC機(jī)進(jìn)行處理。

2）差壓傳感器。選用量程為15 psi的DP86-005D差壓壓力傳感器來檢測標(biāo)準(zhǔn)器件與被測器件之間的氣壓差值。DP86型差壓傳感器適用于高性能低壓應(yīng)用場合的差壓測量。不銹鋼外殼封裝適用于液體和腐蝕性環(huán)境。

3）直壓傳感器。被測器件的絕對(duì)氣壓值是需要測量的另一個(gè)重要參數(shù)。本次采用的是BP801單晶硅壓力變阻傳感器。BP801型是一種固態(tài)單片硅壓阻式差壓傳感器，其使用范圍特別廣泛，特別適用使用了微處理器的壓力檢測工程。

4）溫度傳感器。本項(xiàng)目中由于考慮到溫度對(duì)氣壓的影響，溫度的升高會(huì)引起氣壓的變大，所以采用的是數(shù)字式DS18B20傳感器；它具有感應(yīng)靈敏、成本低、精度高等特點(diǎn)；在該項(xiàng)目中也起到很明顯的消除誤差的作用。

5）微處理器系統(tǒng)。STM32系列32位Flash微控制器基于ARM Cortex-M系列處理器，旨在為MCU用戶提供新的開發(fā)自由度。它包括一系列32位產(chǎn)品，具有高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗與低電壓操作特性，同時(shí)還保持了集成度高和易于開發(fā)的特點(diǎn)。STM32產(chǎn)品基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，提供了大量工具和軟件選項(xiàng)，使該系列產(chǎn)品成為小型項(xiàng)目和完整平臺(tái)的理想選擇。選用STM32F103作為主芯片，其配置為128 K FLASH、20 K SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC、51個(gè)可用IO腳，其零售價(jià)格僅在18元左右。

6）ZigBee無線通信模塊。選用ZigBee通信模塊。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定，其技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)；其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本；主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

順舟科技的SZ05嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，無線頻段為2.4G ISM且為全球免費(fèi)頻段，可以達(dá)到65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接口類型為RS232/RS485/TTL，空曠場地傳輸距離為2000m，非常適合系統(tǒng)所用。

MiniSTM32處理器與通信的發(fā)射模塊通過USART1_TX和USART1_RX引腳連接，與上位機(jī)通信的接收模塊也采用了SZ05模塊，且用USB接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，非常方便。

7）放大電路。信號(hào)處理電路壓阻式傳感器的滿量程輸出信號(hào)為70～350mV，其輸出阻抗很高，這就要求放大電路，需有更高的輸入阻抗，不從傳感器輸出端吸收電流，以免破壞傳感器的工作狀態(tài)。三運(yùn)放高共模抑制比放大，電路具有很高的輸入阻抗和很高的共模抑制比和開環(huán)增益；失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小，非常適合儀用放大。

8）電源電壓。壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)近距離滿量程輸出電壓，可達(dá)100～150mV。恒流源和恒壓源都是通常傳感器采用的兩種激勵(lì)源。壓力傳感器可以用電池供電，但更普遍的是采用直流穩(wěn)壓電源技術(shù)。3DH900恒流三極管是近年來問世的半導(dǎo)體恒流器件，它能在很寬的電壓范圍內(nèi)輸出恒定的電流并具有很高的動(dòng)態(tài)阻抗，因此，它們的恒流性能好、價(jià)格較低、使用簡便。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)軟件，主要由顯示模塊、鍵盤分析模塊、測量模塊和通信模塊等構(gòu)成。下面介紹主要模塊的流程和功能。

程序主流程主要完成參數(shù)的初始化，采集氣壓值，開始加壓，判定壓力大小，確定閥門開啟與否。如果直壓穩(wěn)定，則關(guān)閉閥門，判定差壓大小；直壓不穩(wěn)定，則重新加壓判定直壓大小。如果差壓不大，說明系統(tǒng)氣壓正常，直接顯示數(shù)據(jù)；如果差壓大，開閥，顯示直壓報(bào)警。

微處理器接收傳感模塊檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及一些初步處理，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式送入射頻模塊調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)送出去。

無線數(shù)據(jù)接收是由PC機(jī)來完成，主要針對(duì)檢測裝置傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)、顯示、保存、打印等。檢測信號(hào)經(jīng)過檢測部分?jǐn)?shù)據(jù)處理來判定產(chǎn)品是否合格，并提供燈光與聲音報(bào)警來更好地提示操作者。同時(shí)與兩臺(tái)檢測儀進(jìn)行無線通訊，并進(jìn)行檢測儀的啟動(dòng)/停止控制獲取檢測儀的檢測數(shù)據(jù)，并將檢測數(shù)據(jù)形成記錄保存在數(shù)據(jù)庫中。對(duì)于直壓信號(hào)，經(jīng)過多次測試得到的數(shù)據(jù)與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)氣壓相比，其誤差小于1%；對(duì)于差壓信號(hào)，選擇了在0.8MPa這個(gè)范圍進(jìn)行差壓試驗(yàn)，測得數(shù)據(jù)的誤差小于0.5%。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用高精度傳感器代替機(jī)械氣壓表，且依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)分支設(shè)置多個(gè)檢測接口，通過差壓或直壓檢測方式能快速、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地進(jìn)行檢測，并能存儲(chǔ)、自動(dòng)分析、輸出檢測數(shù)據(jù)，提高檢測速度和保證檢測質(zhì)量。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，檢測精度滿足要求，檢測時(shí)間可由12 h縮短至30min，大大提高了整車（底盤）的檢測效率。制動(dòng)系統(tǒng)各分支設(shè)立單獨(dú)檢測接口，可方便客戶選擇使用和售后問題分析處理。

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