基于虚拟仪器AVR单片机的功率测试系统的研发

袁虎成　吕凤玉　贺成柱

(甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州　730030)

基于虚拟仪器AVR单片机的功率测试系统的研发

袁虎成吕凤玉贺成柱

(甘肃省机械科学研究院，甘肃 兰州730030)

摘要：对农业机械田间作业功耗测试方法进行了研究。为得到不同工作载荷下的功耗，开发了一套结构紧凑、成本低、可置于农机驾驶室的功率测试系统。硬件上，采用高精度扭矩转速传感器作为前端采集设备， AT90CAN128嵌入式单片机系统作为信号采集器，通过9芯串口上传数据并存储在工业平板电脑中。软件上，以符合ANSI标准的C语言开发工具ICCAVR编写信号采集器程序，用LabWindows/CVI开发上位机通信与数据处理程序，形成一套完整的多点功率实时测试系统。经测试表明，系统可靠性高，可广泛应用于农业机械中。

关键词：虚拟仪器嵌入式单片机C编译器数据采集器扭矩传感器功率测试串口通信LabVIEWPLC

0引言

目前，农业机械作为典型的机电液一体化产品，具有专业化程度和智能化程度高等特点，产品设计开发前重要参数的确定将直接影响产品性能的好坏。产品整机空载功率、不同工作载荷的带载功率及关键部件功率配比等参数，是各种农业机械产品设计开发、性能分析及优化改进等环节必不可少的考虑因素[1-2]，也是设备故障分析与解除的重要依据。农业机械功率主要通过机械传动系统和液压传动系统两种方式消耗。由于各自测量原理不同，导致功耗测试方法也不同。从测量仪器开发环境来看，由于虚拟仪器技术和智能采集器技术的飞速发展，文献[3-5]采用可视化图形编程语言LabVIEW，完成旋转机械扭矩、转速及功率等数据的采集。NI的另一款开发平台LabWindows/CVI 是以标准C为基础编程语言，功能及灵活性优于LabVIEW。

在硬件设备方面，文献[6]以PLC为控制单元，文献[7]用USB数据采集卡实现功率等参数的采集。与PLC和数据采集卡相比，新型单片机系统具有功能强、功耗低和价位低等优点[8]。

在通信方面，由于无线局域网络技术和虚拟仪器技术的结合，文献[9]开发了基于网络化虚拟仪器功率测试系统；串口通信具有可靠性高、程序编写简单及硬件接口简单等优势[10]，适用于农业机械田间作业的恶劣环境。

综上分析，为获得农业机械在不同工况下收获不同作物时消耗的总功率及各部件的功耗比，特别是收获机出现械物料堵塞时的功耗,本文采用一种有效、可靠的软硬件设备及通信方式，开发一套体积小、成本低、现场适用性强的功率测试系统。在不改变农业机械外形结构、不增加农业机械设计成本原则下，将系统固定在驾驶室，方便机手实时观察设备的运行情况，也为农户评价不同设备性能及功耗提供准确的参数。

1系统硬件设计

系统硬件主要由3部分组成：扭矩传感器、数据采集器和工业平板电脑，如图1所示。扭矩传感器作为前端采集设备，现场采集扭矩和转速信号。工业平板电脑是上位机，实时显示扭矩值、转速值和功率值，动态实时显示扭矩、转速曲线，可实现上下限报警显示，具有数据存盘功能。数据采集器是中间的传输部件。

图1　系统硬件组成结构图

1.1扭矩传感器

扭矩传感器采用应变片电测技术测量扭矩，采用磁电码盘的方法进行转速测量。根据功率计算公式P= (Tn)/9 550可知，通过测量扭矩和转速，可得到功率值。在田间作业时，农业机械驱动方式有两种，一种是自走式的，即自身带有动力装置；还有一种是悬挂式的，即通过拖拉机提供动力。不管在哪种驱动方式的设备上测量扭矩，首先要满足扭矩测量的条件，扭矩传感器安装位置的两端都要传递动力。

系统采用北京中瑞能公司生产的ZRN506扭矩传感器作为前端采集设备，具体参数为：量程3 000 Nm、精度0.5%FS、频率响应100 μs，通过通径DN50的法兰安装在农机设备上。

1.2数据采集器

采集器采用ARM嵌入式单片机系统。AT90CAN128芯片具有强大的CAN通信功能，在车辆控制器中应用广泛。其将8位CPU与系统自编程Flash 融合在一个芯片上，采集速率比常规RISC单片机快10倍,代码效率更高，且功率损耗低、处理速度快。AT90CAN128作为一个高效的单片机，可为嵌入式控制应用提供一种极为灵活且有效的解决方案。采集器接线端子采用标准的5芯航空插头连接，各端口用途及定义如图2所示。

图2　采集器接线端口定义图

1.3上位机

采集器连接到上位机并与之通信，采用RS-232传输标准，接口连接如图3所示。

图3　采集器与上位机连接图

信息以ASCII码形式实现，通过LabWindows/CVI平台开发计算机的上位机程序。计算机按确定地址向采集器发出命令，等候采集器回答。如果没收到回答，则超时中止，将控制转回上位机。上位机通过读取指令从采集器读取测量值、报警状态、控制值、参数值。为避免通信冲突，所有的操作均受上位机控制。当采集器不进行发送时，都处于侦听方式。

采集器与上位机采用标准的RS-232协议通信，数据格式为10位：1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。波特率为9 600 bit/s，采集器地址与上位串口通信地址一致，回答延迟不大于500 μs，保证高效率的数据传送。采集器对其他命令的回答延迟不大于200 ms。

2系统软件设计

2.1上位机程序设计

LabWindows/CVI 是美国NI 公司推出的交互式C 语言开发平台，其将功能强大、使用灵活的C 语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机结合，为系统检测、自动环境测试、数据采集、过程监控等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。系统功能模块组成如图4所示。

图4　系统功能模块组成框图

系统利用LabWindows/CVI的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数功能，采用模块化设计思想，将上位机软件分为通信端口设置、数据采集、数据存储、数据显示等部分。本软件人机界面友好、操作方便。

2.1.1通信参数设置

利用串口实现通信时，首先应该打开发送端和接收端串口，并对其参数进行设置，然后利用串口读写函数实现数据接收与发送，最后关闭串口。

部分程序如下。

//打开并配置串口

OpenComConfig (1,"",9600,0,8,1,512,512);

//禁止硬件握手

SetCTSMode (1,LWRS_HWHANDSHAKE_OFF);

//清空串口输入输出缓冲区

FlushInQ (1);

FlushOutQ (1);

2.1.2数据采集

按照通信协议，每隔1 s发送一次读写串口命令，部分程序如下。

//读取扭矩指令

Fmt(buffer1,"%s","#0100 ");

//发送读取扭矩指令到串口输入缓冲区

ComWrt (1,buffer1,sizeof(buffer1));

Delay(0.01);

inputquenelength=GetInQLen(1);

//读串口输出缓冲区的返回值

bytesread = ComRd (1,buffer,inputquenelength);

2.1.3数据显示与存储

实时采集的数据在数据窗口显示，并在曲线图上形成数据动态曲线，以文本形式存储在计算机上。

SetCtrlVal (panelHandle,PANEL_NUMERIC,value);

temp[0]=value;

PlotStripChart (panelHandle,PANEL_STRIPCHART,&value,1,0,0,VAL_DOUBLE);

ArrayToFile ("LFY.txt",temp,VAL_DOUBLE,3,1,

VAL_GROUPS_TOGETHER,VAL_GROUPS_AS_ROWS,

VAL_CONST_WIDTH,10,VAL_ASCII,VAL_APPEND);

2.2采集器程序设计

ICCAVR作为第三方C编译器，符合ANSI标准的C语言，是开发MCU程序的工具之一。由于AT90CAN128硬件结构的原因，在对其I/O口操作时，需通过端口输入寄存器PINx与端口输出寄存器PORTx来实现。

//设置串口通信参数

void uart0_init(void)

{

UCSR0B = 0x00; //disable while setting baud rate

UCSR0A = 0x00;

UCSR0C = 0x06;

//设置波特率为9 600 bit/s

UBRR0L = 0x33; //set baud rate lo

UBRR0H = 0x00; //set baud rate hi

UCSR0B = 0x98;

}

//发送和接收数据

void uart0_rx_isr(void)

{

unsigned char temp=0;

temp=UDR0;

PORTC^=0x80;

}

void putchar0(char c)

{

while ((UCSR0A & 0x20)==0);

UDR0=c;

}

3系统应用

3.1实验内容

2014年，在甘肃省河西地区某青贮收割机上安装了本文设计的功率测试系统，在不同地块、不同种植密度的玉米地进行了青贮玉米收获功率消耗实验。当作物密度和割幅不改变时，联合收获机的喂入量与行走速度成比例关系。改变行走速度，得到不同喂入量，从而改变工作负载，得到不同行走速度对功率的影响，获得收获机部件在不同工作载荷下所消耗的功率及占总功率的百分比。测试系统田间实验连接如图5所示。

图5　测试系统田间实验连接图

3.2实验数据

系统按照3种工况自动记录数据，拖拉机工作收获速度V=3.04 km/h，数据分析结果如表1所示。此青贮玉米收获机的设备功率消耗部件主要包括：收割台、夹持喂入装置功率消耗、切碎装置等。通过实验测得各部件的功率耗及其百分比，其中切碎装置功耗百分比均值为80%。

表1　试验数据均值记录表

4结束语

采用虚拟仪器技术和串口通信技术，实现了集自动采集、报警、存储功能为一体的功率测试系统。通过采用 AVR内核的ARM处理器,集成自主开发功率信号采集器，采用串口通信技术实现数据的有效传送，实现了多路功率信号采集系统。经测试表明，系统达到设计预期要求,满足实际需要,可广泛应用于农业机械中。

参考文献

[1] 张超凡,师清翔,李济顺,等.虚拟转速转矩功率测试系统[J].传感器与微系统,2006,25(2):47-49.

[2] 袁程强,沈睦贤,郭旭虹,等.虚拟仪器JKR测能仪开发与测试[J].自动化仪表,2014,35(6):43-46.

[3] 安军,唐东炜,林云峰,等.基于虚拟仪器的旋转机械振动测试系统[J].仪表技术与传感器,2009(2):20-21,31.

[4] 顾文武,何庆中,周铁,等.基于LabVIEW与智能仪器数据采集系统[J].仪表技术与传感器,2012(11):53-54,58.

[5] 王广松,郭 勇,赵喻明,等.基于LabVIEW的工程装备大扭矩测试系统设计与研究[J].仪表技术与传感器,2015(4):21-23,57.

[6] 周子明,张炜,王晓东.一种车用温度传感器自动校验检测平台的研制[J].自动化仪表,2014,35(9):73-75.

[7] 王莉,牛群峰,胡红生.便携式多功能噪声特性测试分析仪[J].仪表技术与传感器,2009(5):19-21.

[8] 汤富强,麻友良,杨超群,等.发动机ECU动态检测信号模拟方法研究[J].自动化仪表,2014,35(4):91-94.

[9] 孔云龙,齐伟民,刘宏杰.基于虚拟仪器的转速_转矩_功率测试系统设计与研究[J].仪表技术与传感器,2007(8):33-34,37.

[10]郭建昌.虚拟串口测试系统设计[J].自动化仪表,2014,35(8):51-53.

Research and Development of the Power Testing System Based on Virtual Instrument AVR Microcontroller

Abstract：The test methods of power consumption in field operations of agricultural machinery are studied.In order to measure the power consumption under different operating load,a compact,low cost power testing system is developed,which can be placed in the cab of agricultural machinery.For the hardware,the high precision torque and speed sensor is used as the front end collection device,the embedded microcontroller system AT90CAN128 is used as the signal acquisition unit; the data are uploaded and stored into industrial tablet through 9-core serial port.For the software,the signal acquisition program is written with C language developing tool ICCAVR that conforms ANSI standard,The communication and data processing programs in host computer is developed using LabWindows/CVI; thus the integral real time testing system for multiple points of power is formed.The test shows that the system is highly reliable and can be widely used in agricultural machinery.

Keywords:Virtual instrumentEmbedded microcontrollerC compilerData collectorTorque sensorPower testSerial port communicationLabVIEWPLC

中图分类号：TH-3;TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605016

兰州市人才创新创业科技计划基金资助项目(编号：2014-RC-53)。

修改稿收到日期：2015-09-28。

第一作者袁虎成(1976-)，男，1996年毕业于太原理工大学自动化专业，获学士学位，工程师；主要从事自动化仪表及系统的开发和研究工作。