触摸屏在客车空调数据监测与采集上的应用

黄 益

（宁波莫倍空调制造有限公司上海分公司， 上海 200443）

空调作为新能源车辆的重要部件， 不仅为乘客和驾驶员提供一个舒适的环境， 而且为电池提供冷却/加热功能，维持电池处于一个最佳的工作环境温度范围， 有助于减少电池衰减， 提升电池使用寿命。 空调作为车辆第二大电能消耗装置， 降低空调运行能耗也有助于提升车辆续航里程，减少资源消耗， 这就对空调的可靠性和持续优化提出了极高要求。

针对目前电动客车空调产品更新换代快、 验证周期短的实际情况， 难免在实际应用中出现一些预料外和偶发性的状况。 在实际应用中如何快速查找定位问题原因， 提出有效解决方案并得以快速验证， 这对空调产品厂家提出了极高的要求。 传统采用人力跟踪记录方式覆盖面有限， 且受时长、 天气等影响， 无法对偶发因素和特殊天气下的工况进行及时跟踪和数据采集， 不利于及时有效分析和优化。同样， 如采用物联网模块或上位机方式需要特殊开发应用程序和客户端软件， 这种对于小规模的厂家来说其本身产品数量少， 需要投入资金大、 时间长， 且存在对于突然性问题采集时效性不够的问题。

触摸屏在工业领域应用十分广泛， 其成本低、 可扩展性强、 人机交互良好、 供电方便、 数据采集间隔可设置、外部扩展存储量大， 十分适合于空调状态监控、 数据采集记录、 故障参数查看及问题分析， 同样适于无人值守状态的数据收集和存储或空调产品验证/产品制造出厂状态检测及数据记录。

本文基于目前国内常用的空调配置和功能进行分析，介绍一种基于触摸屏开发的空调模拟测试、 数据监控及采集存储装置， 其使用方便， 便于快速定制化开发应用。

1 方案设计

1.1 主要部件构成及常用监控/存储参数

空调主要由压缩机、 风机、 电子膨胀阀、 电磁阀、 压力传感器、 温度传感器等部件构成。

通常我们主要需要关注的参数有： 压缩机 （频率/转速、 电压、 电流）、 风机 （频率/转速、 电压、 电流）、 电子膨胀阀给定/实时步数、 空调过热度、 电磁阀开关状态、 变频器/DC 状态、 空气侧及水路侧温度、 系统高/低压压力、空调历史故障、 历史故障情况发生时空调运行参数等。

1.2 触摸屏与空调系统连接方式

空调系统主要控制单元为独立外置或集成于驱动器内部的控制器， 其主要功能为： 通过通信/开关量方式控制变频器和DC/DC 变换器并实时读取驱动器状态参数， 通过硬件接口采集温度和压力传感器数据并驱动开关量和输出模拟量控制信号。

控制器是整个空调控制系统的大脑， 负责整个系统元器件安全可靠运行。 RS485作为普遍成熟的通信方式， 普遍集成于常用MCU中， 本文介绍的触摸屏数据采集装置通过RS485通信方式收集空调核心控制器数据并存储显示， 同时也可作为操作上位机模拟空调用户控制器下发控制命令使空调执行不同的操作模式。 首先， 我们需要在空调控制器将所需监控的参数按实际存储格式和占用大小分配相应的寄存器地址， 并保存至控制器内部一段连续地址中以便于触摸屏读取。 本文中以目前国内厂家采用的多合一驱动器（集成变频器、 DC/DC、 控制器、 预充电路单元） 为例说明。 图1为数据采集系统构成框图， 图2为系统连线示意图。

图1 数据采集系统构成框图

图2 系统连线示意图

2 软/硬件设计及验证

2.1 硬件设计

本设计采用国内知名品牌10.1寸触摸屏， 主要参数为：分 辨 率1024*600； 含1 路SD 卡 和2 路USB 接 口、 3 路 串 口（RS422/RS232/RS485）。 触摸屏采用与空调控制器相同电压供电， 为DC24V， 工作电流300mA； 工作环境温度0～50℃。

采用触摸屏COM2标准DB9通信接口、 RS485通信方式与空调控制系统连接， 通信格式设置为9.6kb/s， 7位数据位， 偶校验， 1位停止位 （或根据系统设置为其他格式）；具体端口定义见图3。触摸屏外置32G SD存储卡实时保存运行数据， 采用SD卡更适应车辆振动的运行环境， 保证数据可靠存储。

图3 触摸屏通信端口信号脚位定义

2.2 软件设计

软件画面主要分为空调数据监控区、 数据存储显示区。

空调检测区主要分为通风运行、 制冷运行、 制热运行、单独电池放电冷却运行、 单独电池充电冷却运行、 制冷和电池放电冷却同步运行等几个常用控制模式。 图4为模式选择界面。数据监控区根据用户需要， 显示不同功能模块数据，如膨胀阀、 驱动器、 故障信息等。

图4 模式选择界面

2.2.1 主界面

通用监控参数含： 压缩机及风机运行频率/转速、 驱动器输出电压、 输出电流、 驱动器温度、 驱动器运行状态、系统压力、 电子膨胀阀给定/实际开度、 系统过热度、 进出风温度、 高压接触器/四通阀/PTC/新风门/水泵开关状态、直流输入电压、 直流输入总功率等。

特殊监控参数： 电池冷却侧膨胀阀开度、 电池冷却进/出水温度、 主回路 （乘客空调） /副回路 （电池冷却侧） 吸气温度、 主/副回路系统过热度等。

画面主要采用数值显示和状态灯指示系统运行参数和运行状态。

主界面主要分为左侧竖栏功能切换按钮区和参数显示区。

功能按钮区可以点击相应按钮切换不同功能显示参数，包括： 主状态显示 （常用参数显示）、 驱动器设置参数显示、 驱动器工作参数显示、 历史故障参数显示。

主状态显示区显示常用监控参数： 压缩机和风机的工作状态、 系统空气侧/水路侧温度、 膨胀阀步数、 系统压力及过热度、 继电器等开关量状态等， 便于我们在不同模式切换时可以直观了解空调状态， 而不必频繁切换显示界面。具体界面如图5所示。

图5 软件整体设计图

2.2.2 设定参数显示界面

设定参数显示界面主要显示驱动器根据空调配置设定的参数， 如压缩机频率/电压、 系统风量大小等， 便于测试时确认系统重要参数是否正确。其可参考如下设计界面（图6）。

图6 驱动器参数显示界面

2.2.3 电池冷却参数显示界面

点击电池冷却按钮进入电池冷却参数显示界面 （图7），测试人员可以很方便清晰地了解系统电池热管理支路的运行状态。

图7 电池冷却运行参数显示界面

该界面主要显示参数有： 压缩机及风机转速、 膨胀阀步数、 系统压力、 系统过热度、 系统空气侧温度、 水路进/出水温度、 车辆请求工作模式等。 此界面可直观了解系统在电池冷却工作模式时所有运行参数和状态。

2.2.4 驱动器信息显示界面

点击左侧 “驱动器” 按钮进入空调驱动器通用参数显示界面 （图8）， 其包含空调驱动器的常用运行状态参数和控制器输入/输出点状态， 便于我们直观了解到整个空调系统的状态。

被试是246名来自贵州省贵阳市、铜仁市、黔东南和黔南地区4所高师院校数学与应用数学专业（师范）学生，其中，男生和女生分别占比48.8%和51.2%，汉族学生占比63%，其余为苗族、侗族、土家族等少数民族学生．测试前，被试正值大三下学期期末，已学完有关数学教育教学的理论知识，并接受微格教学训练，即将进入实习．

图8 驱动器运行参数显示界面

2.2.5 故障信息显示界面

点击 “故障信息” 按钮进入空调故障信息参数显示界面 （图9）， 界面内包含当前和上一次故障时空调的运行参数、 以及空调往上历史3次故障代码。 这样便于在空调出现故障时根据故障发生时的运行参数信息直观判断可能发生的原因， 极大地降低了测试及售后人员的判断难度， 提高了处理效率。

图9 故障信息显示界面

2.2.6 历史数据统计及存储显示

在触摸屏编程软件 “历史缓冲区” 中设置好需定时记录的参数地址和保存时间间隔、 保存格式及保存装置 （SD卡）， 同时在历史数据表界面 （图10） 设置好数据地址和格式后， 即可在设备上电后按设定时间间隔 （例如1s或1min等） 自动将所需记录的数据实时保存至SD卡中， 并同步显示在HMI历史数据表中。 可在主界面通过点击 “历史数据表” 进入相应界面查看历史数据。也可通过 “输出报表” 按钮将当前界面数据以单一表格保存至SD卡中， 方便在电脑端查看、 统计。 如图11所示。

图10 历史数据显示界面

2.2.7 历史数据曲线趋势图

通过图11导出的数据可以很方便地在Excel中将数据拟合成曲线以便于了解参数变化趋势； 或者同样可以在HMI中设置好需要显示的参数类别， 在触摸屏界面显示所需显示的参数变化曲线。

图11 历史数据导出表格

3 结论

2） 此方案使用灵活， 根据不同配置只需更改相关参数读取地址即可， 应用范围广。

3） 触摸屏功能强大， 可实现数据监控、 存储、 回放功能。

上述方案为我们在新产品投入阶段或产品改进时提供了一种简便、 快捷、 经济、 全面的数据采集方式， 且技术开发难度低， 同时也可供产品前期试验验证和出厂功能测试时进行数据收集， 减少了试验测试人员工作量， 适合目前国内绝大部分厂家推广应用。