汽车动力转向油泵试验台触摸屏人－机界面设计

王玉琳，王运，刘光复

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230001)

转向泵是汽车液压动力转向系统中的油源装置，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的平稳性和可靠性，因此转向泵出厂前必须进行严格的性能测试。汽车动力转向油泵试验台采用单片机控制系统，通过控制电液比例阀和变频器实现对汽车动力转向油泵的油压和转速进行无级调节，用户根据要求调整转向泵的工况，实现转向泵在各种工况下完成压力、流量、温度、转速、扭矩等参数的自动测试，从而完成试验大纲所规定的跑合、安全阀调节、容积效率测试和最大流量测试等汽车转向泵试验流程。目前大部分试验台人－机界面采用键盘输入和LED显示，用户通过键盘向单片机控制系统发出指令或输入数据，控制系统的各种信息或参数通过LED显示反馈给操作者，这种界面按键多、复杂，对操作人员的技能有所要求，而且界面占用空间大，易损坏，系统不稳定，可靠性差。

为了解决上述问题，开发了一种基于触摸屏的汽车动力转向油泵试验台。触摸屏是集信息显示、处理、通信和控制于一体的综合信息系统，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等诸多优点。将转向泵的4个测试程序编制好存入控制系统程序存储器中，用触摸屏组态软件编辑图形菜单，分别启动相对应的试验程序，实现自动测试。另外人－机界面添加手动和自动两种测试方式，提高产品的适应性。

1 触摸屏与控制系统通信

1.1 触摸屏与单片机的硬件连接

人－机界面控制系统主要包括单片机和触摸屏，其硬件连接如图1所示，触摸屏和单片机采用主从通信方式，触摸屏作为主机，单片机作为从机。Samkoon SA系列触摸屏有3个设备连接端口，1个PC(USB)端口用于程序下载，2个RS232/RS422/RS485 端口用于通信，由于单片机AT89S52 无RS232接口，因此需要扩展一片MAX232，将TXD、RXD的TTL 电平转换成RS232 电平。为实现与单片机一对一通信，用一根RS232 通信电缆连接单片机RS232口与触摸屏通信COM1口，其中包括通信电缆DB9的2－2，、3－3，5－5。

图1 触摸屏与单片机硬件连接

1.2 触摸屏组态画面设计

(1)设置通信参数

触摸屏与单片机通信参数设置为:波特率9 600，数据位8位，1个停止位，主机触摸屏地址为0，从机单片机地址为1。打开Samkoon 触摸屏组态软件SamDraw3.3，打开文件新建工程，输入工程名称，在选择型号下拉菜单中选择触摸屏的型号SA-7A/B(800* 480 7.0’)，单击下一步，试验台采用触摸屏为主机、单片机为从机的通信方式，因此在设备服务下拉菜单中选择MODBUS，后备栏中选择MODBUS RTU Master，单击下一步，完成如图2所示的通信参数设置。

(2)触摸屏组态画面编辑

根据试验大纲要求，汽车动力转向油泵试验台人－机界面应该具有以下5个功能:

①完成跑合、安全阀调节、容积效率测试和最大流量测试等实验流程;

②具有手动和自动两种方式完成测试实验;

③显示当前压力、流量、温度、转速、扭矩等参数;

图2 通讯口参数设置

④可设定被测转向泵油压和转速等参数;

⑤产品不合格或者扭矩过大报警功能。

触摸屏画面元件读取地址的设备类型有0x、1x、3x、4x 等选项。0x表示读取的是控制器的输出信号(可读可写)，可作为位状态指示灯、按键、触发控制位。1x表示读取的控制器的输入信号(只读)，可用作触摸屏上的状态指示灯。3x 和4x指控制器的寄存器地址类型，其中3x是只读的，因此3x可作为触摸屏中数值显示元件和多状态指示灯。4x是可读可写的，可作为触摸屏中的数值输入元件和多状态设定元件。它们的取值范围1—65535。触摸屏组态画面主要包括手动方式和自动方式两个画面，如图3和图4所示。

图3 手动方式组态画面

图4 自动方式组态画面

图3为测试试验手动方式，该组态画面是用户根据需要设定试验的油压和转速等参数来完成测试的实验流程，提高了设备的产品适应性能。画面中有电机启、电机停、比例阀启、比例阀停、急停按钮5个位元件，其监视地址分别设置为0x1、0x2、0x3、0x4、0x5。设置了实时转速(16位整数)、实时温度(32位浮点数)、实时压力(32位浮点数)、实时扭矩(32位浮点数)等4个数值显示元件，其监视地址分别设置为3x1、3x3、3x7、3x11。添加了转速设置(16位整数)和压力设置(32位浮点数)两个数值输入元件，其监视地址分别设置为4x1、4x3。为保护变频电动机，在组态画面上设置报警控件元件，用来监视扭矩大小，当液压系统产生故障导致过载，超出设定扭矩界限时会报警提示并停止，类比报警区设置读取地址3x11，大小4个字节，扫描时间为1 s，用户可根据变频电动机的参数设定扭矩报警界限。

图4为测试试验自动方式，该组态画面主要功能有:用户首先编制好4个测试实验程序存入控制系统程序存储器中，启动相对应的试验控制按钮，系统自动完成相应的跑合实验、安全阀调节实验、容积效率检测实验、最大流量检测实验，不合格则报警提示并停止运行。转速、温度、压力、扭矩等实时数据显示监视地址设置与手动控制画面中设置一样。画面中有设置两个画面按钮，自动方式和手动方式，用于这两个控制画面之间的切换。

1.3 MODBUS 通信协议

MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，该协议定义了一个控制器都能认识使用的消息结构，使得控制器相互之间、控制器经由网络与其他设备之间可以通信，目前已成为一种通用工业标准，基于此协议，不同的厂商生产的控制设备可以连成工业网络、经行集中监控。MODBUS协议有ASCII和RTU 两种传输模式，在波特率相同情况下，RUT模式比ASCII模式传送更多的数据，因此试验台采用RUT模式通信。MODBUS 通信协议的基本通讯单元称为报文，每条报文包括报文头、数据和检验码3个部分，串行通信时是以字符帧为最小传送单位，11位字符帧包括8个数据位，1个起始位，1个停止位，1个奇偶校验位。MODBUS RUT 传输模式下一个报文是由从机地址、功能码、数据域和CRC 校验码组成，一个典型报文格式如表1所示。报文发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，在最后一个传输字符之后，至少3.5个字符时间的停顿标志报文的结束，以保证一个报文作为一连续信息传输。Samkoon系列HMI 内置MODBUS 从站通讯协议，支持的MODBUS协议功能码为0x01，0x03，0x05，0x06，0x10，因此单片机控制系统和Samkoon系列触摸屏可采用MODBUS协议实现通信。

表1 通信报文格式

1.4 通信软件设计

触摸屏和单片机采用主从通信方式，触摸屏作为主机，单片机为从机。触摸屏根据组态画面控件的功能不断向单片机发送指令，单片机接收到触摸屏的指令后，进行判断和校验，并作出相应的应答。程序流程如图5所示。

例如触摸屏数值显示元件‘实时转速’的监视地址为3x1，读取单片机6BH为首地址的一个字(6BH，6CH)的值，显示测试试验的实时转速。单片机通信程序如下。

图5 通信程序流程

2 试验结果

考察该设备的测试试验关键指标是否能准确控制被试转向泵的压力和转速，据现场抽验所得结果如表2所示。

表2 现场实测转向泵的转速和压力

表2中转速的最大误差为0.67%，压力的最大误差为2%，均在试验大纲所规定的±5%的范围之内。该汽车动力转向泵试验台人－机界面不仅操作简便，而且能保证控制的精度。

3 结束语

由于对设备的智能化程度要求越来越高，对操作性的要求也越来越高，触摸屏触控操作简单、便捷、人性化，有望成为人机互动的最佳界面并迅速普及。文中介绍的汽车动力转向泵试验台人－机界面使测试试验操作更为简便化和自动化，实现各项测试数据实时监测和修改，提高了测试精度和工作效率。通过组态软件修改触摸屏界面，该方案就可移植到其他系统中，具有一定的推广应用价值。

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