路面机械控制系统多功能试验平台设计

唐红雨，陈 迅，黄海峰

(1. 镇江高等专科学校 电气电竞与交通学院，江苏 镇江 212028； 2. 江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

路面机械是建设高等级公路的专用机械设备，产品种类多，如铣刨机、摊铺机、平地机、沥青拌和站、厂拌、水泥摊铺机等，可靠性主要体现在设备能长时间连续工作，不出现故障。但大多数路面机械产品的工作环境恶劣，受温度、湿度、灰尘等因素影响，经常在投入使用不久就出现故障，而且很难准确判断故障原因，既损失了原材料，又增加了设备维护成本。因而企业在设计、制造、生产环节必须重点考虑产品的稳定性和可靠性，特别是控制系统的可靠性，以保证所有动作正常有序进行。路面机械产品在出厂前必须对其控制系统进行模拟测试，但目前还没有专门的测试装置[1]。因为路面机械的控制系统及控制器模块供应商不同，每种控制器的输入输出信号既有兼容性又有所区别，没有通用的测试装置。

针对控制系统的模拟测试装置，国内外学者进行了大量研究。文献[2]提出基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的脉冲宽度调制信号发生器，文献[3]提出基于FPGA+PWM(Pulse Width Modulation，PWM))的多路信号发生器设计方法。有的采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)技术，使信号的输出频率在100MHz以下，且分辨率在1Hz左右[4]，有的设计基于PWM的数字轴角转换(DSC)电路，模拟产生旋转变压器信号[5]。文献[6]在FPGA内设计基于双DDS电路结构的信号发生器，用数字的方法实现了标准波形和各种调制波形的双通道输出。以上方法主要针对通用测试信号或信号产生电路，未考虑路面机械产品的特殊性。因而设计制作多用途路面机械产品多功能模拟测试装置，为多种路面机械产品控制系统提供不同规格的信号输入，显示模拟仿真结果，判断其控制程序设计的正确性，具有重要应用价值。

1 系统设计

路面机械产品控制系统多功能试验平台具有特制性，主要是在摊铺机、铣刨机等的控制系统软硬件设计时进行模拟仿真实验，验证控制系统软件的正确性。路面机械产品结构复杂，系统模块较多，大多采用专用模块，控制系统设计时，需要考虑模块的互融互通，具备通用性，接口多样，可针对Roxroth(力士乐)、Danfoss(丹佛斯)、TTC(Thermal Transfer Composites)、EPEC等公司的不同控制器和显示器进行软件设计，可进行多种信号模拟，可根据产品需要灵活搭建仿真系统。主要设计要求如下：

1) 具备多种稳压电源，包括DC5V电源5路(1～2A)、DC24V电源2路、三相交流电源1路(380V)、恒流源2路(0～1A)。

2) 具备多种输出信号模拟，包括开关量信号模拟输出100路(DC24 V，3状态开关)、模拟量信号模拟输出5路(0～5V可调，步进0.01V)、模拟量信号模拟输出5路(0～10V可调，步进0.01V)、模拟量信号模拟输出5路(0～5KΩ可调，电位计)、模拟量信号模拟输出5路(0～1KΩ可调，电位计)、模拟量信号模拟输出5路(4～20mA可调，分辨率5%)、模拟量信号模拟输出2路(0～20mA可调，分辨率5%)、脉冲信号模拟输出2路(1000Hz可调，步进1Hz，幅值0～24V)、脉冲信号模拟输出2路(5000Hz可调，步进1Hz，幅值0～24V)、正弦波信号输出1路(幅值0～20V，频率0～5000Hz)。

3) 具备多种输入信号模拟装置，主要用于检测控制器的运行状态，包括PWM信号输入模拟装置10路(留10路输入接口，频率0～1000Hz，显示频率、幅值、占空比)、开关量信号输入模拟装置40路(DC24 V高电平30路，低电平10路)，此需求建议在屏幕上用图标模拟显示。

4) 整个试验平台能够旋钮调节，程序控制，组态灵活，用屏幕设定，输入参数可实现对应信号输出；脉冲信号的频率、幅值可调，且具有扫频功能，输出模拟装置要求人机友好、操作简单。

根据企业的要求，路面机械产品控制系统多功能试验平台主要包括电源、输出信号模拟、输入信号模拟、显示、内部信号产生等模块。核心器件采用STM32F103VBT6，如图1所示。采用虚拟仪器技术设计信号的采集、显示和处理。信号产生采用直接数字频率合成技术(DDS)[6]。DDS是一种新的频率信号产生方法，具有超高速的频率转换时间、极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，能够保持相位连续，很容易实现频率、相位和幅度调制。利用总线和可编程芯片技术提高系统数字采集通道的可扩展性和稳定性。电源模块电路如图2所示，可产生多路恒流源和恒压源。

图1 STM32F103VBT6接线图

图2 电源产生电路

2 软件设计

系统软件部分人机交互界面采用Labview虚拟仪器[7-8]技术，底层信号产生采用STM32F103VBT6芯片，开发环境采用KEIL MDK软件，系统启动界面如图3所示。

图3 系统启动界面

模拟信号输出界面(见图4，图5)为控制台左边的屏幕显示界面。该界面上有两个选项卡：左边是模拟量信号输出设置，可以设置电流值、电压值，并有直观的指示针指示，下面的数值是实时值；右边是波形输出设置，主要设置输出信号的参数，可以设置脉冲信号和正弦信号的频率、幅值、占空比。

信号监测界面(见图6，图7)为控制台右边的屏幕显示界面。该界面上有两个选项卡：左边是PWM信号显示，可以显示幅值、频率、占空比，并且有波形显示；右边是开关量信号输入，主要显示接收的信号，用按钮的亮暗表示。

系统软件部分采用数字可编程芯片(FPGA)，提高了数字信号产生的稳定性、可扩展性，具有电路硬件升级功能。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调查了近年来29个发展中国家的普通孕妇中子痫前期发病率0.02%～7.67%，平均发病率为2.16%。针对正常孕妇的子痫前期试验，发病率不高。Valio等[15]研究了妊娠35～37周的3 953例单胎普通孕妇，最终只有65例发展为子痫前期。一些针对高危孕妇进行的研究中，子痫前期的发病率明显上升[11]。本研究中的研究对象为子痫前期高危孕妇，271例病人中有11例发病，明显提高了sFlt-1、PLGF对于子痫前期的预测价值。早期诊断子痫前期，尽早对于高危孕妇进行干预及监管，减少不良围产期母婴结局的发生具有重要意义。

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);

……

软硬件设计完成后，进行系统的组装与调试，并经企业实际使用，达到了预定的技术指标要求。

图4 模拟信号输出界面(左边)

图5 模拟信号输出界面(右边)

图6 信号监测界面(左边)

图7 信号监测界面(右边)

3 结束语

笔者设计的路面机械产品控制系统多功能试验平台由硬件和软件组成，硬件由控制台、多种模拟信号、开关信号发生器、显示屏、信号输入接口等组成，软件由高级语言编写，用于显示各种输出信号的状态。该测试装置能够为路面机械产品的控制系统提供信号输入，并能对多种控制器的输出信号进行采样，模拟信号输出，检测控制器状态，可通过显示屏观察控制器输出波形、开关量信号的状态等。该试验平台是为路面机械量身定做的，通过试验验证控制方法的正确性和可靠性，降低了测试成本和人工成本，提高了设计效率和产品质量，推广前景较好。