基于无线配置重触发的力学传动参数测试系统设计

魏涯峰，谢 锐，邓慧芳，杨冀豫

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

履带车辆的传动系统由变速箱、传动轴、主动轮、履带等组成[1]。通过测量履带车辆传动系统的力学动态参数即可获取车辆的动态载荷数据[2]。对主动轮的扭矩以及履带的三向力(拉力、压力、纵向力)的测量是履带车辆传动系统强度设计的重要一步，同时也是对传动系统零部件进行疲劳寿命预测评估和设计优化的重要基础[3]。

运动状态下的传感器采集到的信号通过线缆传输比较困难[4]；文献[4-5]中的扭矩信号通过ZigBee无线传输存在速率慢功耗大等问题；文献[6]中使用的蓝牙传输方案存在设计复杂、速率较慢等问题；使用上述传输方式无法满足多个采集数据的无线传输。履带车辆的传动系统存在空间狭小、振动冲击大、电磁干扰复杂[6]等问题。存储测试方法具有体积小、抗振动冲击、抗干扰等优点[7]。文献[8-9]说明了目前常用的压阻式、磁弹性式、卡环式、磁电感应式等扭矩、压力传感器的特点，其中应变式压阻传感器具有结构简单、精度高、成本低[10]等特点。

本文提出使用应变式压阻传感器获取力学传动形变信号，使用ZigBee统一触发的设计，采集某时刻下的多个传动系力学参数，实现各采集单元的时基统一。设计一种以压阻式传感器为基础结合ZigBee技术和存储测试方法的力学传动参数测试系统。

1 系统构成

基于无线配置重触发的力学传动参数测试系统使用ZigBee无线通信技术和存储测试技术，实时采集履带车辆在不同工况下的主动轮扭矩、履带压力、拉力、纵向力的动态数据。测试系统主要由无线手持终端、无线中继、履带测试单元、主动轮测试单元4部分组成，如图1所示。实验时车体两侧各安装2个无线中继，两侧履带各安装2套测试单元，两个主动轮上各安装一套主动轮测试单元(共6套测试单元)，整个系统通过PC配置组成树型网络[11](见图1中虚线连接部分)。

图1 测试系统组成框图

其中，无线手持终端用于配置各测试单元的编号、存储空间的划分(重触发实现基础)、不同工况下触发指令的发送，并显示各测试单元回复的触发结果和配置结果。无线中继单元固定于车体两侧，用于无线信号的转发和增强，亦可以显示各测试单元触发状况。各测试单元接收无线中继转发的指令，根据指令实现编号、采样频率选择、存储空间划分、重触发采集存储等操作。配置信息存储在测试单元的MCU内部用户Flash区，断电后数据不丢失。测试结束后通过PC和USB接口读出各测试单元存储的数据，并在PC上进行数据处理和分析。

2 电路组成

2.1 无线手持终端和无线中继

无线手持终端和无线中继是系统实现无线配置和多重触发的控制设备。无线手持终端的电路框图如图2所示。手持终端使用STM32作为核心控制器，通过键盘输入编码指令，在LCD上显示通信指令发送和接收状态。因履带车辆车身比较高大容易遮挡屏蔽电磁波，选用波长较长的700 MHz ZigBee射频芯片。手持终端和无线中继选择AT86RF212B射频芯片[12]，该芯片支持IEEE802.15.4c和中国WPAN频段内的ZigBee、6LoWPAN、ISM的应用[13]。

图2 无线手持终端电路框图

各测试单元的安装空间狭小，无法使用粗大的天线，导致测试单元无线信号接收能力较差。为了保证系统可以稳定可靠的工作，在车体两侧各安装一个无线中继，用于信号的转发和增强。无线中继具有手动触发和LED，手动触发是通过有线连接到驾驶舱的开关上，由按键控制无线中继直接发送统一触发指令；LED指示无线中继工作状态和测试单元触发情况。

2.2 测试单元

测试单元是无线配置和多重触发实现的载体。本测试系统有履带测试单元和主动轮测试单元两种。履带测试单元和主动轮测试单元的电路结构基本相似，区别是：

(1)履带测试电路使用了模拟开关和3个应变片组来实现多通道采集

(2)履带的待测实际值大、应变信号峰峰值低，为了提高分辨率履带测试单元使用24位ADC，主动轮测试单元使用12位ADC。下面只介绍履带测试单元的组成和工作原理。

履带测试单元的电路框图如图3所示。履带测试单元的电路有模拟和数字两部分组成。模拟部分中，每个应变片组构成惠斯登全桥[14]输出差分信号，差分信号经过由仪表放大和低通滤波构成的调理电路处理后进行采集存储。其中，模拟开关进行通道切换，实现多通道数据采集。ADC的采样频率要依据履带长度、主动轮直径、路试工况以及实际车速等情况在程序内部设定多个采样频率，试验时根据实际需要通过无线配置选择采样频率。各测试单元的安装空间狭小，不能使用大电池供电，从低功耗考虑数字部分中的MCU选择MSP430F249，Flash(数据存储器)选择单片容量8 Gb的Nand Flash。

图3 履带测试单元电路框图

3 关键技术及其实现

3.1 通信编码设计

通信编码是无线配置、无线触发和多重触发的实现基础。这里多重触发有两方面的含义：

(1)从触发方式上讲，多重触发既可以通过舱内开关实现手动统一触发，又可以通过手持终端实现统一触发和无线点名触发；

(2)从触发次数上讲，通过配置各测试单元的存储地址，将数据存储器划分为多个部分，实现各测试单元的多次触发。各测试单元在配置成功后回复本次的配置信息，用于确认配置成功。

通信编码使用16进制的20字节指令，如表1所示。前6字节用于通信指令校验，在统一触发、测试单元编号、点名触发、采样频率选择的指令中，第7字节使用不同的编码用于命令区分；第8字节是装置编号、统一触发、点名触发、频率选择的具体指令；其他字节暂定为全零用于系统升级。

表1 通信编码

在多重触发的存储地址划分指令中前6位也是用于通信校验；第7位是存储地址划的命令识别，第8、9字节是存储器列地址；第10、11、12字节是存储器行地址；剩余字节为全零用于后期系统升级。只要存储空间允许，需要实现N次重触发，只需配置重触发的存储地址N次即可。

3.2 重触发设计

由于实验需要测量履带车辆在泥泞路、石子路、公路、野地等多种工况下的力学传动参数，为了提高工作效率，避免每个工况测试结束后需要读数的问题，所以提出通过无线配置存储地址的方式实现多次重触发。

无线配置存储地址就是对存储空间划分。根据采样频率、ADC的位数以及每个工况下的试验时长，就可以确定各工况下所需的存储空间大小。履带测试单元预设有1.5 kHz、3 kHz、5 kHz 3种采样频率，每min所需的最大存储空间分别是1.03 MB、2.06 MB、3.44 MB；主动轮测试单元预设的采样频率是3 kHz、5 kHz、8 kHz。每min所需的最大存储空间分别是0.36 MB、0.59 MB、0.94 MB。按试验需要，通过无线配置的方式将存储地址的划分存入各测试单元MCU内部的用户Flash区。

无线配置和重触发的工作流程如图4所示。测试单元上电后先确认是否已配置，若已配置则读入配置信息等待无线触发，若没有配置则等待配置指令。测试单元收到无线指令后先进行校验，若校验通过，就进行指令识别分别进入触发或配置操作。若是配置指令则分别进行测试单元编号、采样频率选择、存储空间划分等操作，配置成功则回复本次接收到的配置指令表示配置成功，并在无线手持终端上显示。若是触发指令则回复其装置号表示触发成功，并在无线中继和手持终端上显示。第一次触发时会把存储空间的划分信息存入Nand Flash的首页，方便USB读数时对各段数据进行区分。每次采集存储结束后(划分的存储空间存满)进行触发次数判断，若达到N次则结束采集工作，否则进入等待指令状态。

图4 无线配置和重触发工作流程

4 实测数据

履带测试单元通道2以3 kHz为采样频率的水泥路压力测试数据如图5所示。图5中可以观察到周期性的压力变化信号。每个周期信号中第一个宽脉冲是主动轮拖动安装有测试单元那节履带的信号，由于受到主动轮半周长的拖动因此脉宽较宽。安装有测试单元那节履带受到负重轮、诱导轮、拖带轮的拖动形成不同的压力脉冲。

主动轮测试单元以3 kHz采样频率的水泥路测试数据如图6所示。图6中测试车辆起始处于静止状态力矩几乎不变，随后驶入测试路段信号开始变化，最后停车测试结束。车辆的加减速、转弯、爬坡等动作都能够从采样波形中分析出来。

图5 履带压力实测信号

图6 主动轮扭矩实测信号

5 结束语

本文提出的以压阻式传感器为基础结合ZigBee技术和存储测试方法的力学传动参数测试系统，使用无线通信技术实现了无线配置和多重触发机制，保证了时基统一，避免了频繁读数问题，提高了工作效率。经过实验，本测试系统的无线部分可以稳定可靠的实现无线配置触发等功能，各测试单元亦可在环境复杂恶劣的情况下有效可靠的工作。此系统中的无线部分和多重触发部分可以借鉴应用在常见的测试系统中，可作为一些多参数测量系统的设计参考。