無線通信技術在拖拉機牽引性能測試中的應用

發布時間：2019-01-07所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：針對拖拉機牽引性能測試系統中，被試車與負荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機動性差的問題，采用無線通信技術開發了兩車多機通信功能，增強了試驗車輛機動性。對自制的數據采集器進行了模擬量通道檢測，牽引力通道信號最大誤差為3mV，系統線性度

　　摘要：針對拖拉機牽引性能測試系統中，被試車與負荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機動性差的問題，采用無線通信技術開發了兩車多機通信功能，增強了試驗車輛機動性。對自制的數據采集器進行了模擬量通道檢測，牽引力通道信號最大誤差為3mV，系統線性度為0.06%。靜態試驗結果表明：在良好通信條件下，系統能夠進行準確穩定的數據傳輸，最大有效傳輸距離為520m。
 

　　動態試驗結果表明：在兩車相距15m范圍內，性能測試系統能夠實時進行數據采集、交換及管理。被試拖拉機在無線通信與有線通信測試條件下，試驗性能參數最大相對誤差為0.98%，此誤差在傳感器精度范圍內。靜動態對比試驗結果表明：牽引性能測試系統的振動對無線通信系統的穩定性有一定影響，動態試驗數據接收率為97.36%，能夠滿足系統穩定性要求。

　　關鍵詞：無線通信技術,拖拉機,牽引性能測試,通信協議,負荷車

　　牽引特性試驗是拖拉機的重要性能及其最終評價依據。牽引性能測試系統能夠對試驗牽引特性進行精確測量[1]，測試系統包括被試車子系統和負荷車子系統。

　　21世紀前，美國內布拉斯加拖拉機實驗室、英國農業工程研究所、日本農業機械化研究所、中國農業機械化科學研究院、中國洛陽拖拉機研究所及美國迪爾公司等國內外少數拖拉機試驗站和生產企業，對牽引性能測試系統進行了研發，但由于傳感器技術和測試技術相對落后，負荷車與被試車之間均采用有線連接[2]。

　　進入21世紀，對牽引性能測試系統的研究主要集中在負荷車功率的提升、吸功裝置與負荷車動力的匹配、先進控制算法在負荷車加載系統中的應用、負荷車傳動系統布置及負荷車多功能性的開發方面[3-4]。廈門市產品質量監督檢驗院研發的300kN負荷車，在負荷車與被試車之間仍沿用有線連接[5]。

　　中國汽車工程研究院股份有限公司和國家拖拉機質量監督檢驗中心對負荷車的性能進行了升級，但對負荷車與被試車之間信息傳輸方式的研究未見報道[6-7]。有線傳輸雖然在數據傳輸速率、數據傳輸可靠性、安全性及成本方面具有一定的優勢[8]，但被試車與負荷車之間繁雜的有線連接，降低了測試系統機動性，阻礙了系統功能擴展。布線質量也會對系統工作可靠性產生較大影響。無線通信技術的優勢在于系統布線簡單，設備機動性強，可擴展性好[9-11]，很大程度上可改善拖拉機牽引性能測試系統的現狀。

　　因此，本文將無線通信技術應用到拖拉機牽引性能測試系統中，實現信號采集與數據短距離無線傳輸，利用嵌入式技術開發試驗監測終端，使系統集成簡單，測量精準，對測試條件的變化適應性增強。

　　1無線通信方案設計

　　拖拉機牽引性能測試系統中負荷車與被試車最大間距為15m，系統采樣頻率為10Hz。試驗環境為空曠試驗場，無線節點覆蓋整個測試系統，包括監視器、加載控制器及數據采集器，因此，該系統屬于短距離低頻率兩車多機通信。

　　被試車為低速牽引類工程車輛，負荷車由某型號拖拉機改裝而成�；�于ModBus網絡構架，上位機、數據采集器、監視器及加載控制器間采用主機廣播半雙工通信方式進行無線數據傳輸，可以支持247個遠程從機，且具有良好的擴展性[12-14]。

　　該無線網絡通信距離短，數據傳輸速率較低，因此，發射模塊采用高斯頻移鍵控(Gaussfrequencyshiftkeying，GFSK)調制方式，具有良好的抗噪抗衰性。主、從機電源為車載電源和逆變電源，能量充足，因此，發射模塊的發射功率能夠確保信號準確傳輸。

　　1.1被試車子系統

　　拖拉機試驗牽引特性指被試車在一定路面條件下穩定工作時，滑轉率、車速、牽引功率、油耗量和牽引效率隨牽引力的變化規律。因此，被試車子系統主要對被試車進行參數測量，包括發動機轉速、發動機油耗、理論車速、實際車速及牽引力。數據采集器將各傳感器信號采集并發送至上位機，監視器Ⅰ接收上位機指令，顯示試驗狀態、測試擋位及操作命令，便于被試車駕駛員做出相應的操作。

　　有1個模擬信號通道和5個數字信號通道。牽引力通道內置信號調理放大電路，通過12位模數(analog�瞭o�瞕igital，AD)轉換器轉換為數字信號，測量誤差小于0.1%，采樣頻率不小于30kHz。車速通道外接全球定位系統(globalpositionsystem，GPS)車速傳感器，測速周期小于0.5s，誤差小于0.1%，每脈沖4mm標定，連續測量距離不小于67km。

　　發動機轉速通道外接晶體管�簿�體邏輯(transistor�瞭ransistorlogic，TTL)電平，測速周期小于0.5s，誤差小于0.1%。左�灿因寗虞嗈D數通道與油耗通道均外接TTL電平，具備加減計數和防抖動功能，連續正向計數不小于1.6×107個脈沖，不會發生溢出。

　　1.2負荷車子系統

　　負荷車子系統提供被試車需要的牽引載荷，通過動力輸出軸加裝電渦流緩速器實現可控加載。負荷車加裝設備有逆變器、直流穩壓電源、電渦流緩速器及其控制裝置等。上位機是整個測試系統的數據處理、顯示、記錄中心，負責將數據和操作命令發送至監視器和加載控制器，并接收數據采集器發送的實時測量數據。直流穩壓電源由變壓器、濾波器、整流電路和穩壓電路組成，接收加載控制器的控制信號，調節電渦流緩速器的輸入電壓，改變電渦流緩速器的加載轉矩。逆變器為直流穩壓電源、上位機及顯示器等設備供電。監視器Ⅱ通過無線通信模塊接收上位機數據，便于駕駛員對負荷車做出相應的操作。

　　2多機無線通信硬件設計

　　上位機為筆記本電腦，由兩個無線通信模塊組成網關發送和接收數據，上位機與網關通過串口連接。監視器及加載控制器采用工業級顯示器，配置WindowsCE操作系統，通過RS232串口與無線通信模塊連接。數據采集器通過串口與外置無線通信模塊連接。

　　發動機油耗儀在小流量的情況下會出現抖動現象，造成計數不準或計數器溢出，因此，設計了加/減計數器，可實現準確計數，提高了測量精度。采用嵌入式技術對監視器及加載控制器外圍電路進行了設計，保證其穩定工作。為檢驗數據采集器各采集通道數據傳輸的穩定性、準確性及采集精度，對各通道進行了計量。以牽引力采集通道為計量通道，對模擬量轉換精度進行了檢驗。

　　選取0～5V為測量量程，在量程內設定20個測量點，數據采集器將預設電壓值無線發送至上位機，上位機將數據發送至監視器Ⅱ。牽引力采集通道檢測最大誤差為3mV，系統線性度最大誤差與量程的比值為0.06%。

　　3無線通信協議制定及軟件開發

　　基于RS232串行通信方式，制定了上位機與監視器Ⅰ、監視器Ⅱ和監視器Ⅲ之間的數據傳輸協議。上、下位機采用主從結構和點對點通信模式，上位機采用查詢方式、下位機采用中斷方式接收數據。

　�、偕衔粰C發送交握信號(0xAA)，等待應答碼。

　�、谙挛粰C收到交握信號后，若信號正確，則發送0xAA作為應答，并等待接收數據包;否則，發送0xEE作為應答，等待接收下一循環交握信號。

　�、凵衔粰C收到應答碼后，若交握成功，則發送38字節的數據包，等待接收應答碼;若交握失敗，則重新聯絡，當連續10次交握失敗，輸出提示信息，通信結束。

　�、芟挛粰C收到數據包后，如果數據校驗正確，則返回應答碼0xBB;若數據校驗有誤，則返回應答碼0xEE，通信結束。

　�、萆衔粰C收到應答碼后進行判斷，若數據傳送成功，則本次通信結束;若通信不正確，則重新交握�；�于定制的無線通信協議，以VS2005軟件為開發工具，在VB.NET編程環境下利用SerialPort控件實現了多機無線通信功能。開發了測試系統上位機數據采集軟件，對試驗進程進行實時監測。

　　上位機每100ms發送一次數據包，數據包包括廣播地址、功能碼、操作碼、32byte數據及循環冗余校驗(cyclicredundancycheck，CRC)2byte。該軟件除實時監測試驗進程外，還可完成系統設置、傳感器設置、牽引特性圖坐標設置、牽引力標定、牽引特性曲線監督及通信參數設置等任務。其中，通信參數設置功能選項對數據采集器和各監視器無線通信參數進行設置，上位機選取通信端口進行無線通信網絡匹配。

　　4無線通信性能試驗與分析

　　為了檢驗拖拉機牽引性能測試系統中無線通信功能在道路試驗中的實用性與可靠性，進行了無線通信性能靜態試驗、動態試驗和靜動態對比試驗。

　　4.1靜態試驗

　　在空曠地帶對開發的無線通信設備進行靜態試驗。無線通信模塊工作頻率設置為433MHz，接收靈敏度為-124dBm，發射功率為28dBm，參數設置信道為16，串口波特率為9600bit/s，空中波特率為9600bit/s。

　　多名測試人員手持上位機與各下位機，設備離地高度為1.5m，測試距離由近漸遠，上位機每隔1s發送1次數據，直至下位機接收數據出現錯誤時試驗結束。試驗結果表明：在520m最大有效接收范圍內，各下位機均能準確穩定接收到上位機發送的數據。

　　4.2動態試驗

　　將開發的無線通信設備嵌入拖拉機牽引性能測試系統，無線通信模塊參數設置保持不變，根據標準GB/T3871.9—93對農業拖拉機牽引試驗的要求，進行動態牽引試驗。試驗路面為混凝土路面，氣溫為20℃，氣壓為100.1kPa，濕度為45%，牽引點高度580mm，前、后輪輪胎氣壓均為100kPa，拖拉機帶配重。

　　對主要工作擋位低Ⅱ擋、低Ⅲ擋、低Ⅳ擋進行最大牽引功率試驗，每次加載試驗穩定時間大于30s(即保證穩定距離大于25m)，先進行空載荷試驗，隨后多次逐級加載，加載級數不少于12級，直至拖拉機滑轉率達到允許滑轉率為止。由數據處理軟件根據試驗數據繪制被試車試驗牽引特性圖。

　　分別對被試車低Ⅲ擋時無線通信和有線通信測試得到的速度v、滑轉率δ、發動機轉速ne、牽引功率PT、燃油耗GT、燃油消耗率gT及牽引力F取平均值，得到表3所示的測量值對比結果。測試系統采用無線通信與有線通信得到的試驗數據平均值最大誤差出現在燃油耗，最大相對誤差值為0.98%，此誤差由發動機油耗儀精度(0.5%)造成，與測試系統數據通信方式無關。通過對比分析說明：測試系統無線通信功能正常，數據交換和管理穩定，沒有數據損壞或丟失現象發生，測試效率明顯提升。

　　4.3靜動態對比試驗

　　在動態測試中，負荷車與被試車均存在隨機振動，振動會改變無線模塊天線的指向，從而對無線通信的穩定性產生影響[15]。為驗證隨機振動對無線通信穩定性的影響，利用無線模塊設置與通信軟件，設置了靜動態對比試驗。上位機無線通信模塊發送峰值為2.0V、頻率為1Hz的正弦波，下位機無線通信模塊接收，以接收率評價無線通信的穩定性(接收率定義為下位機接收到的數據與上位機發送數據的比值)。

　　靜態試驗中，上位機無線通信模塊與下位機無線通信模塊間距為15m，即負荷車與被試車最大間距為15m。靜態試驗數據接收率為100%，動態試驗數據接收率為97.36%，說明在動態測試中負荷車與被試車的振動對無線通信的穩定性有一定影響，但接收率均在95%以上，能夠滿足通信穩定性的要求。在拖拉機牽引特性試驗中，應盡量減少負荷車與被試車的振動，以提高通信系統穩定性。

　　5結論

　　將拖拉機測試技術與無線通信技術相結合，開發了拖拉機牽引性能測試系統上位機測試軟件、下位機數據采集器及監視器無線通信功能。采用無線技術進行兩車多機通信，改善了系統物理連接，增強了試驗車輛機動性。靜態試驗與動態試驗結果驗證了無線通信性能良好，在設定條件下，數據最大有效接收距離可達520m，動態試驗數據接收率為97.36%。由于無線通信網絡具有良好的穩定性和擴展性，因此，為進一步研究虛擬儀表技術在拖拉機牽引特性測試系統中的應用奠定了基礎。

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　　推薦期刊：《工程機械》主管單位：天津工程機械研究院，主辦單位：天津工程機械研究院，國內統一刊號：12-1328/TH，國際標準刊號：1000-1212，所設欄目：微機應用與智能化、產品結構、試驗研究、設計計算、專題綜述、液壓液力、工藝材料、使用維修。