路面機(jī)械控制系統(tǒng)多功能試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

唐紅雨，陳 迅，黃海峰

(1. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣電競(jìng)與交通學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028； 2. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

路面機(jī)械是建設(shè)高等級(jí)公路的專用機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)品種類多，如銑刨機(jī)、攤鋪機(jī)、平地機(jī)、瀝青拌和站、廠拌、水泥攤鋪機(jī)等，可靠性主要體現(xiàn)在設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，不出現(xiàn)故障。但大多數(shù)路面機(jī)械產(chǎn)品的工作環(huán)境惡劣，受溫度、濕度、灰塵等因素影響，經(jīng)常在投入使用不久就出現(xiàn)故障，而且很難準(zhǔn)確判斷故障原因，既損失了原材料，又增加了設(shè)備維護(hù)成本。因而企業(yè)在設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)環(huán)節(jié)必須重點(diǎn)考慮產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，特別是控制系統(tǒng)的可靠性，以保證所有動(dòng)作正常有序進(jìn)行。路面機(jī)械產(chǎn)品在出廠前必須對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，但目前還沒有專門的測(cè)試裝置[1]。因?yàn)槁访鏅C(jī)械的控制系統(tǒng)及控制器模塊供應(yīng)商不同，每種控制器的輸入輸出信號(hào)既有兼容性又有所區(qū)別，沒有通用的測(cè)試裝置。

針對(duì)控制系統(tǒng)的模擬測(cè)試裝置，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]提出基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，文獻(xiàn)[3]提出基于FPGA+PWM(Pulse Width Modulation，PWM))的多路信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法。有的采用直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)技術(shù)，使信號(hào)的輸出頻率在100MHz以下，且分辨率在1Hz左右[4]，有的設(shè)計(jì)基于PWM的數(shù)字軸角轉(zhuǎn)換(DSC)電路，模擬產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)[5]。文獻(xiàn)[6]在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)基于雙DDS電路結(jié)構(gòu)的信號(hào)發(fā)生器，用數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)波形和各種調(diào)制波形的雙通道輸出。以上方法主要針對(duì)通用測(cè)試信號(hào)或信號(hào)產(chǎn)生電路，未考慮路面機(jī)械產(chǎn)品的特殊性。因而設(shè)計(jì)制作多用途路面機(jī)械產(chǎn)品多功能模擬測(cè)試裝置，為多種路面機(jī)械產(chǎn)品控制系統(tǒng)提供不同規(guī)格的信號(hào)輸入，顯示模擬仿真結(jié)果，判斷其控制程序設(shè)計(jì)的正確性，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

路面機(jī)械產(chǎn)品控制系統(tǒng)多功能試驗(yàn)平臺(tái)具有特制性，主要是在攤鋪機(jī)、銑刨機(jī)等的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟件的正確性。路面機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)模塊較多，大多采用專用模塊，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮模塊的互融互通，具備通用性，接口多樣，可針對(duì)Roxroth(力士樂)、Danfoss(丹佛斯)、TTC(Thermal Transfer Composites)、EPEC等公司的不同控制器和顯示器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可進(jìn)行多種信號(hào)模擬，可根據(jù)產(chǎn)品需要靈活搭建仿真系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)要求如下：

1) 具備多種穩(wěn)壓電源，包括DC5V電源5路(1～2A)、DC24V電源2路、三相交流電源1路(380V)、恒流源2路(0～1A)。

2) 具備多種輸出信號(hào)模擬，包括開關(guān)量信號(hào)模擬輸出100路(DC24 V，3狀態(tài)開關(guān))、模擬量信號(hào)模擬輸出5路(0～5V可調(diào)，步進(jìn)0.01V)、模擬量信號(hào)模擬輸出5路(0～10V可調(diào)，步進(jìn)0.01V)、模擬量信號(hào)模擬輸出5路(0～5KΩ可調(diào)，電位計(jì))、模擬量信號(hào)模擬輸出5路(0～1KΩ可調(diào)，電位計(jì))、模擬量信號(hào)模擬輸出5路(4～20mA可調(diào)，分辨率5%)、模擬量信號(hào)模擬輸出2路(0～20mA可調(diào)，分辨率5%)、脈沖信號(hào)模擬輸出2路(1000Hz可調(diào)，步進(jìn)1Hz，幅值0～24V)、脈沖信號(hào)模擬輸出2路(5000Hz可調(diào)，步進(jìn)1Hz，幅值0～24V)、正弦波信號(hào)輸出1路(幅值0～20V，頻率0～5000Hz)。

3) 具備多種輸入信號(hào)模擬裝置，主要用于檢測(cè)控制器的運(yùn)行狀態(tài)，包括PWM信號(hào)輸入模擬裝置10路(留10路輸入接口，頻率0～1000Hz，顯示頻率、幅值、占空比)、開關(guān)量信號(hào)輸入模擬裝置40路(DC24 V高電平30路，低電平10路)，此需求建議在屏幕上用圖標(biāo)模擬顯示。

4) 整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)能夠旋鈕調(diào)節(jié)，程序控制，組態(tài)靈活，用屏幕設(shè)定，輸入?yún)?shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)信號(hào)輸出；脈沖信號(hào)的頻率、幅值可調(diào)，且具有掃頻功能，輸出模擬裝置要求人機(jī)友好、操作簡(jiǎn)單。

根據(jù)企業(yè)的要求，路面機(jī)械產(chǎn)品控制系統(tǒng)多功能試驗(yàn)平臺(tái)主要包括電源、輸出信號(hào)模擬、輸入信號(hào)模擬、顯示、內(nèi)部信號(hào)產(chǎn)生等模塊。核心器件采用STM32F103VBT6，如圖1所示。采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)信號(hào)的采集、顯示和處理。信號(hào)產(chǎn)生采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)[6]。DDS是一種新的頻率信號(hào)產(chǎn)生方法，具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調(diào)頻時(shí)，能夠保持相位連續(xù)，很容易實(shí)現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制。利用總線和可編程芯片技術(shù)提高系統(tǒng)數(shù)字采集通道的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。電源模塊電路如圖2所示，可產(chǎn)生多路恒流源和恒壓源。

圖1 STM32F103VBT6接線圖

圖2 電源產(chǎn)生電路

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分人機(jī)交互界面采用Labview虛擬儀器[7-8]技術(shù)，底層信號(hào)產(chǎn)生采用STM32F103VBT6芯片，開發(fā)環(huán)境采用KEIL MDK軟件，系統(tǒng)啟動(dòng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)啟動(dòng)界面

模擬信號(hào)輸出界面(見圖4，圖5)為控制臺(tái)左邊的屏幕顯示界面。該界面上有兩個(gè)選項(xiàng)卡：左邊是模擬量信號(hào)輸出設(shè)置，可以設(shè)置電流值、電壓值，并有直觀的指示針指示，下面的數(shù)值是實(shí)時(shí)值；右邊是波形輸出設(shè)置，主要設(shè)置輸出信號(hào)的參數(shù)，可以設(shè)置脈沖信號(hào)和正弦信號(hào)的頻率、幅值、占空比。

信號(hào)監(jiān)測(cè)界面(見圖6，圖7)為控制臺(tái)右邊的屏幕顯示界面。該界面上有兩個(gè)選項(xiàng)卡：左邊是PWM信號(hào)顯示，可以顯示幅值、頻率、占空比，并且有波形顯示；右邊是開關(guān)量信號(hào)輸入，主要顯示接收的信號(hào)，用按鈕的亮暗表示。

系統(tǒng)軟件部分采用數(shù)字可編程芯片(FPGA)，提高了數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性，具有電路硬件升級(jí)功能。FPGA通道口部分程序如下：

#include ″stm32f10x.h″

extern uint8_t FPGA_Data_Buff[100];

extern uint16_t max_amp[10];

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

WHO調(diào)查了近年來29個(gè)發(fā)展中國家的普通孕婦中子癇前期發(fā)病率0.02%～7.67%，平均發(fā)病率為2.16%。針對(duì)正常孕婦的子癇前期試驗(yàn)，發(fā)病率不高。Valio等[15]研究了妊娠35～37周的3 953例單胎普通孕婦，最終只有65例發(fā)展為子癇前期。一些針對(duì)高危孕婦進(jìn)行的研究中，子癇前期的發(fā)病率明顯上升[11]。本研究中的研究對(duì)象為子癇前期高危孕婦，271例病人中有11例發(fā)病，明顯提高了sFlt-1、PLGF對(duì)于子癇前期的預(yù)測(cè)價(jià)值。早期診斷子癇前期，盡早對(duì)于高危孕婦進(jìn)行干預(yù)及監(jiān)管，減少不良圍產(chǎn)期母嬰結(jié)局的發(fā)生具有重要意義。

void FPGA_RD(void);

void FPGA_RD()

{ uint8_t i,j;

uint16_t FPGA_Addr;

uint16_t RAM_Addr;

FPGA_Addr=0;

RAM_Addr=0;

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_12);

……

軟硬件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)的組裝與調(diào)試，并經(jīng)企業(yè)實(shí)際使用，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 模擬信號(hào)輸出界面(左邊)

圖5 模擬信號(hào)輸出界面(右邊)

圖6 信號(hào)監(jiān)測(cè)界面(左邊)

圖7 信號(hào)監(jiān)測(cè)界面(右邊)

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的路面機(jī)械產(chǎn)品控制系統(tǒng)多功能試驗(yàn)平臺(tái)由硬件和軟件組成，硬件由控制臺(tái)、多種模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)發(fā)生器、顯示屏、信號(hào)輸入接口等組成，軟件由高級(jí)語言編寫，用于顯示各種輸出信號(hào)的狀態(tài)。該測(cè)試裝置能夠?yàn)槁访鏅C(jī)械產(chǎn)品的控制系統(tǒng)提供信號(hào)輸入，并能對(duì)多種控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，模擬信號(hào)輸出，檢測(cè)控制器狀態(tài)，可通過顯示屏觀察控制器輸出波形、開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)等。該試驗(yàn)平臺(tái)是為路面機(jī)械量身定做的，通過試驗(yàn)驗(yàn)證控制方法的正確性和可靠性，降低了測(cè)試成本和人工成本，提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，推廣前景較好。