無線與存儲融合的傳動軸扭矩測試系統(tǒng)設(shè)計*

霍新明，靳　鴻*，李祖博

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

無線與存儲融合的傳動軸扭矩測試系統(tǒng)設(shè)計*

霍新明1，2，靳鴻1，2*，李祖博1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

存儲測試非常適合于旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試，但是存儲測試需事后回收處理，無法現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，且參數(shù)設(shè)置固定。針對上述問題，結(jié)合履帶式車輛傳動軸扭矩測試情況，以存儲測試為基礎(chǔ)結(jié)合Zigbee無線技術(shù)，設(shè)計了基于LabVIEW上位機(jī)控制的無線存儲測試系統(tǒng)，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線觸發(fā)和多次重觸發(fā)，并回傳測試開始后的少量數(shù)據(jù)，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)調(diào)整測試單元的參數(shù)。實驗結(jié)果表明該測試系統(tǒng)存儲測試與無線技術(shù)能有效結(jié)合，充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，提高了測試效率和數(shù)據(jù)的可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

儀器儀表工程；扭矩測試；無線傳輸；存儲測試；LabVIEW

EEACC：7300；6250doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.026

扭矩是反應(yīng)傳動軸系功率效能的核心動態(tài)參數(shù)之一，是衡量傳動系統(tǒng)動力性能的典型指標(biāo)［1］。準(zhǔn)確、及時、可靠的測量傳動軸的扭矩值，對改進(jìn)和提高傳動系統(tǒng)的性能有重要的意義。目前國內(nèi)測量扭矩的方法主要有磁彈式、轉(zhuǎn)角式、應(yīng)變式等［2-3］，每種方法都有其一定的適用范圍和優(yōu)缺點，其中應(yīng)變式扭矩測試是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的測量方法之一，其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)較成熟，符合履帶式車輛傳動軸扭矩測試要求。履帶式車輛運(yùn)動部件結(jié)構(gòu)緊湊，測試環(huán)境復(fù)雜，且旋轉(zhuǎn)件扭矩測試供電和信號傳輸都相對困難，對測試要求相對較高。不管是單純的存儲測試還是無線測試都存在一定的不足，存儲測試的突出優(yōu)點是非引線，非常適合于旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)參數(shù)測試，且存儲數(shù)據(jù)量大、時間長、采集頻率高、實時性好，但是其只能事后回收處理，而且放大倍數(shù)等參數(shù)固定，靈活性較低，可能會出現(xiàn)測試結(jié)束后沒有數(shù)據(jù)的情況。無線測試解決了信號傳輸問題，并且可以在一定的復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中工作，具有很強(qiáng)的靈活性，但其傳輸速率有限，速率較高時相應(yīng)的誤碼率也會提高，尤其是履帶式車輛動力艙內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重，無線傳輸會受到嚴(yán)重干擾［4-5］。目前基于無線的存儲測試技術(shù)，主要集中在測試環(huán)境相對較好的條件下進(jìn)行，北方車輛研究所的宋美球等人，利用藍(lán)牙和存儲測試相結(jié)合的方式進(jìn)行了車輛風(fēng)扇軸的扭矩測量［6］，該方法操作簡單，靈活性強(qiáng)，但該方法在傳動軸扭矩測試環(huán)境中存在著一定的不足，如功耗相對較高、自組網(wǎng)能力相對較弱等。針對上述測試問題，結(jié)合履帶式車輛的扭矩測試環(huán)境，本文提出了一種新的無線與存儲技術(shù)融合的傳動軸扭矩測試系統(tǒng)。

1　測試系統(tǒng)總體設(shè)計

測試系統(tǒng)包括傳感器、存儲測試儀、Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點、讀數(shù)盒和上位機(jī)軟件，該系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖

圖1中，應(yīng)變傳感器獲取到扭矩信號，測試單元包括存儲測試部分和Zigbee終端節(jié)點，存儲測試部分包括模擬電路和數(shù)字電路，實現(xiàn)扭矩信號的調(diào)理存儲，Zigbee終端節(jié)點發(fā)送和接收無線數(shù)據(jù)，監(jiān)測和控制存儲測試模塊。Zigbee協(xié)調(diào)器用于建立Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)測試單元和上位機(jī)的通信?；贚abVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件實現(xiàn)無線通信控制和后期的數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)可分為兩個工作模式：無線監(jiān)測控制模式和離線數(shù)據(jù)讀取和處理模式，系統(tǒng)的無線模式如圖2所示，離線模式流程圖如圖3所示。

圖2　無線模式流程圖

圖3　離線模式流程圖

測試單元通過卡箍安裝在傳動軸上，在測試單元附近的固定壁上安裝Zigbee協(xié)調(diào)器，通過引線將Zigbee協(xié)調(diào)器與駕駛艙內(nèi)的上位機(jī)系統(tǒng)連接。

各個工況測試開始后，車輛啟動行駛，測試少量數(shù)據(jù)，并保存在flash中，車輛停車向上位機(jī)回傳數(shù)據(jù)，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)調(diào)整采樣頻率和放大倍數(shù)等參數(shù)，并將該部分?jǐn)?shù)據(jù)擦除，然后車輛啟動進(jìn)行該工況的完整測試。所有工況測試完成后，通過USB讀數(shù)盒快速讀取所有數(shù)據(jù)。采用這種方法，能有效避免車輛行駛過程中電磁對無線傳輸?shù)母蓴_，保證接收數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

3　測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1扭矩測試電路設(shè)計

3.1.1電橋調(diào)零電路設(shè)計

采用4個箔式電阻應(yīng)變片（阻值R=（120±0.1）Ω，靈敏度系數(shù)K=2.1）構(gòu)成全橋測量電路，由于在實際情況下，受環(huán)境等影響，應(yīng)變片電阻的阻值不完全相等，電橋輸出電壓不為零，并且，測試單元在部件深處，測試人員難以接近，無法進(jìn)行手動電橋調(diào)零。因此設(shè)計了程序控制的自動電橋調(diào)零電路［7］。如圖4為電橋調(diào)零電路，其中R1、R2、R3、R4為箔式電阻應(yīng)變片，R5和R7分別為高精度非易失性數(shù)字電位器X9C103和X9C104，可通過程序調(diào)節(jié)接入電路中的阻值，R5、R6組成粗調(diào)電路，R7、R8、R9及R10組成微調(diào)電路。

首先將數(shù)字電位器R5和R7的滑動頭調(diào)至中間位置，程序判斷電橋輸出電壓是否為零，如果不為零，首先調(diào)整R5進(jìn)行粗調(diào)，電橋輸出在0 V左右即可，然后調(diào)整R7進(jìn)行微調(diào)，將電橋的輸出控制在一定精度范圍內(nèi)（mV）。該電橋調(diào)零方法由程序完成，靈活性和環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，提高了測試精度。

圖4　電橋調(diào)零電路

3.1.2可調(diào)放大濾波電路設(shè)計

由于傳動軸扭矩形變量較小，電橋輸出電壓信號通常都十分的微弱（幾十mV至幾百mV），并含有干擾信號，需進(jìn)行后端放大濾波處理［8］。設(shè)計了放大倍數(shù)可調(diào)的二階壓控低通濾波電路，如圖5所示。采用AD623儀表放大器差分輸入形式，能有效地抑制溫漂和電磁干擾提高電路的精度，外部電阻R1選擇高精度非易失性可調(diào)數(shù)字電位器X9C102（1 kΩ），該電位器有100個抽頭，通過程序控制接入電路中阻值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的效果，放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為101倍～1 001倍。

圖5　可調(diào)放大濾波電路設(shè)計

3.2Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

履帶式車輛傳動軸系測試軸較多，如變速箱輸入、輸出、前橋、中橋、后橋等，測試節(jié)點較多，如單純采用存儲方法進(jìn)行測試，同步觸發(fā)以及多次重觸發(fā)將成為一個難題［9-10］。由于測試人員難以接近測試單元，并且測試單元隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，傳統(tǒng)的觸發(fā)方式很難適應(yīng)該環(huán)境下的觸發(fā)工作。而無線技術(shù)剛好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)觸發(fā)方式的不足，不僅可以滿足多點同步觸發(fā)和多次重觸發(fā)，還可發(fā)送控制命令和接收回傳數(shù)據(jù)。

目前，在測試中應(yīng)用較多的無線技術(shù)主要有紅外、UWB、藍(lán)牙、Zigbee等，但是履帶式車輛傳動軸扭矩測試中受空間限制、油污和電磁干擾以及測試單元需要進(jìn)行低功耗設(shè)計等的影響，多種無線通訊方式變得可靠性差、故障率高甚至無法使用，如通常的無線電信號極易被履帶式車輛內(nèi)其他無線電信號干擾；履帶式車輛油污嚴(yán)重?zé)o法滿足紅外通信的清潔環(huán)境；UWB技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，適合高速傳輸，但系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，增加了開發(fā)難度，不適合在履帶式車輛傳動軸扭矩測試中使用；雖然“藍(lán)牙”技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)勢性很強(qiáng)，但其功耗較高，多節(jié)點、自組網(wǎng)方面不如Zigbee，尤其是測試過程需要進(jìn)行多工況、長時間測試，對測試單元的低功耗設(shè)計有很高的要求［6］［11］。Zigbee技術(shù)具有低功耗、自組織、多點傳輸?shù)葍?yōu)勢，相對于其它無線方式，可以很好的在傳動軸周圍環(huán)境下工作。因此，采用Zigbee模塊構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)。

采用一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)建立、管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過USB接口與上位機(jī)連接。終端節(jié)點在測試單元內(nèi)部，通過無線接收協(xié)調(diào)器傳來的控制命令以及回傳數(shù)據(jù)。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbit/s～250 kbit/s，屬于低速率通信，為了節(jié)省傳輸時間以及保證傳輸準(zhǔn)確率，無線網(wǎng)絡(luò)只用于傳輸控制命令以及傳輸少量測試數(shù)據(jù)，所有測試完成后的大量數(shù)據(jù)采用USB讀數(shù)盒讀取。采用這種方式可節(jié)省更多電池容量用于測試，同時也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

3.3多工況狀態(tài)設(shè)計

履帶式車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，在履帶式車輛測試試驗過程中，需要對各個工況的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測試，文獻(xiàn)［8］中對多工況測試的隨機(jī)相似過程做了充分的總結(jié)。

通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線觸發(fā)和多次重觸發(fā)，為了滿足測試的低功耗、多工況進(jìn)行了多狀態(tài)設(shè)計，測試過程中的各個狀態(tài)如圖6所示。測試單元上電后處于待觸發(fā)休眠狀態(tài)，電路模擬部分不工作，MCU休眠等待觸發(fā)信號，上位機(jī)發(fā)送工作觸發(fā)命令，經(jīng)過Zigbee網(wǎng)絡(luò)，MCU接收到工作觸發(fā)命令，測試電路開始工作；當(dāng)測試階段完成后，上位機(jī)發(fā)送休眠觸發(fā)命令，測試電路再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。在單個工況以及多工況下，需要進(jìn)行多次相關(guān)的工作觸發(fā)和休眠觸發(fā)，即實現(xiàn)多次重觸發(fā)。

在發(fā)送各個觸發(fā)命令的同時，各個終端節(jié)點將接受到命令的類型、時間、以及采樣頻率、放大倍數(shù)等相關(guān)信息返回上位機(jī)保存，方便最后測試數(shù)據(jù)的分析處理。

圖6　工作狀態(tài)圖

4　測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件，用LabVIEW實現(xiàn)對計算機(jī)可編程儀器的控制，很大程度上提高了編程效率，非常適合于儀器控制、信號分析、信號傳輸?shù)葘嶒瀳龊希?2-13］。

根據(jù)系統(tǒng)測試要求，程序主要包括：無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊、文件管理模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、顯示模塊4個部分。其中基于LabVIEW的虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA）控件編寫了與Zigbee協(xié)調(diào)器通信的串口程序以及基于USB2.0協(xié)議的USB通信程序。測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，軟件流程圖如圖8所示。

圖7　測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖8　測試系統(tǒng)軟件流程圖

測試系統(tǒng)主界面如圖9所示，通過調(diào)用子界面完成各個子功能模塊的參數(shù)設(shè)置等相關(guān)操作，使主界面更加簡潔，操作更加簡便。

圖9　測試系統(tǒng)操作界面

5　實驗驗證

在實驗室環(huán)境下，對該測試系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗證試驗，在等強(qiáng)度梁上放置1 kg砝碼。設(shè)系統(tǒng)放大倍數(shù)為G，采樣頻率為fs，測試單元默認(rèn)放大倍數(shù)G=251，采樣頻率fs=3 kHz，上位機(jī)發(fā)送工作觸發(fā)命令，測試單元開始采樣存儲，工作3 min后，上位機(jī)發(fā)送休眠觸發(fā)命令，測試單元進(jìn)入休眠待觸發(fā)狀態(tài)，上位機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，讀取1 MB（3 min采集數(shù)據(jù)量約為1 MB）數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示，當(dāng)G=251，fs=3 kHz時，上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。

通過上位機(jī)設(shè)置放大倍數(shù)G=501，采樣頻率fs= 3 kHz，發(fā)送工作觸發(fā)命令，工作3 min后發(fā)送休眠觸發(fā)命令，上位機(jī)接收到的回傳數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10　G=251，fs=3 kHz時應(yīng)變曲線

圖11　G=501，fs=3 kHz時應(yīng)變曲線

不同放大倍數(shù)的基線均值和加載砝碼后均值情況如表1所示。上述實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)可以很好的實現(xiàn)無線觸發(fā)和多次重觸發(fā)，并且可以靈活的調(diào)整放大倍數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

表1　不同放大倍數(shù)測試數(shù)據(jù)情況

為了驗證測試系統(tǒng)的長時間工作穩(wěn)定性，通過上位機(jī)設(shè)置測試單元存儲的數(shù)據(jù)量為900 MB，放大倍數(shù)G=251，上位機(jī)發(fā)送工作觸發(fā)命令，測試單元進(jìn)入采樣存儲，經(jīng)過大約45 h，采樣結(jié)束。通過USB讀數(shù)盒讀取并保存數(shù)據(jù)，經(jīng)降采樣抽點后顯示，將其中某段數(shù)據(jù)局部放大后的波形曲線如圖12所示，圖中波形曲線的上升部分為對等強(qiáng)度梁施加壓力時產(chǎn)生的相應(yīng)的應(yīng)變變化。該實驗結(jié)果表明，測試系統(tǒng)能夠很好的感應(yīng)應(yīng)變變化，并且長時間工作穩(wěn)定，能夠保證測試大容量數(shù)據(jù)的可靠性。

圖12　降采樣局部放大波形顯示

5　結(jié)論

針對履帶式車輛傳動軸扭矩測試中存在的問題，設(shè)計了基于LabVIEW和Zigbee的無線存儲測試系統(tǒng)，在存儲測試的基礎(chǔ)上，基于無線技術(shù)發(fā)送控制命令實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置以及多重觸發(fā)，并采用回讀方式作為判定依據(jù)，能很好的保證測到有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能有效的發(fā)揮無線測試和存儲測試的互補(bǔ)優(yōu)勢，在履帶式車輛傳動軸測試中有很好的應(yīng)用前景。

［1］藺紅軍.履帶車輛傳動系測試系統(tǒng)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［2］王巖，儲江偉.扭矩測量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（11）：14-18.

［3］安英博.基于無線傳輸?shù)膽?yīng)變式扭矩測量系統(tǒng)設(shè)計［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

［4］李建普，區(qū)穎剛，黃世醒，等.無線傳輸及存儲技術(shù)在農(nóng)機(jī)測試中的應(yīng)用［C］//2010國際農(nóng)業(yè)工程大會現(xiàn)代農(nóng)機(jī)新技術(shù)應(yīng)用研討會分會場論文集，2010：6.

［5］靳鴻，陳昌鑫，祖靜，等.嵌入式微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（11）：84-86，90.

［6］宋美球，劉云鵬，黨玲，等.特種車輛扭矩測試儀的研制［J］.車輛與動力技術(shù)，2012（1）：26-29，64.

［7］楊光友，周國柱，陳定方.數(shù)字電位器在平衡電橋測量中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004（5）：30-31.

［8］陳昌鑫，馬鐵華，靳鴻，等.多種工況磁電觸發(fā)的主動輪扭矩測試方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（8）：98-100.

［9］岳瑤，張瑜，劉雙峰.沖擊波測試中無線同步上電系統(tǒng)的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26（7）：1030-1033.

［10］劉帆，杜紅棉，范錦彪，等.炮口沖擊波超壓無線存儲測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（2）：272-276.

［11］曹艷華，曹陽，吳國慶，等.基于LabVIEW和ZigBee的垂直軸風(fēng)力機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.中國測試，2015，41（12）：67-69，82.

［12］王廣松，郭勇，趙喻明，等.基于LabVIEW的工程裝備大扭矩測試系統(tǒng)設(shè)計與研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2015（4）：21-23，57.

［13］王健，梁志劍，馬鐵華.基于LabVIEW的容柵扭矩測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國測試，2015，41（11）：78-81.

霍新明（1990-），男，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向：動態(tài)測試與智能儀器，707072954@qq.com；

靳鴻（1974-），女，河北阜平縣人，教授，博士，研究方向：動態(tài)測試系統(tǒng)的微型化及智能儀器，主持承擔(dān)省部級項目8項，橫向科研項目十余項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI、EI、ISTP收錄10篇，jinhong@nuc.edu.cn。

The Design of Transmission Shaft Torque Test System Integrated Wireless with Storage Technology*

HUO Xinming1，2，JIN Hong1，2*，LI Zubo1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The method of storage test is very suitable for the rotary shaft torque test.However，the test data can be dealt with until the tester is out.Also，the data can’t be achieved by field observation，and the parameter settings are fixed.Aiming at the above-mentioned problems，combined with the torque measurement on the transmission shaft of the tracked vehicle，on the foundation of the storage test and the Zigbee wireless technology，a wireless storage test system is designed based on the LabVIEW.The system uses the ZigBee wireless network to complete wireless trigger and multiple re-trigger，and get back a small amount of data to adjust the parameters of test unit.The experimental results indicate that the test system can combine the storage testing technology with the wireless transmission technology effectively，make full use of the advantages of each，and improve both the efficiency and reliability of the test data as well，which will be have a good application prospect.

instrumentation engineering；torque measurement；wireless transmission；storage test；LabVIEW

TP23

A

1004-1699（2016）10-1625-06

項目來源：中北大學(xué)重點實驗室開放研究基金項目（ZDSYSJ2015002）

2016-03-24修改日期：2016-04-27