王玉琳，王運(yùn)，劉光復(fù)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230001)

轉(zhuǎn)向泵是汽車液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的油源裝置，其性能的好壞直接影響到汽車行駛的平穩(wěn)性和可靠性，因此轉(zhuǎn)向泵出廠前必須進(jìn)行嚴(yán)格的性能測(cè)試。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵試驗(yàn)臺(tái)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過控制電液比例閥和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵的油壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，用戶根據(jù)要求調(diào)整轉(zhuǎn)向泵的工況，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵在各種工況下完成壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試，從而完成試驗(yàn)大綱所規(guī)定的跑合、安全閥調(diào)節(jié)、容積效率測(cè)試和最大流量測(cè)試等汽車轉(zhuǎn)向泵試驗(yàn)流程。目前大部分試驗(yàn)臺(tái)人－機(jī)界面采用鍵盤輸入和LED顯示，用戶通過鍵盤向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令或輸入數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)的各種信息或參數(shù)通過LED顯示反饋給操作者，這種界面按鍵多、復(fù)雜，對(duì)操作人員的技能有所要求，而且界面占用空間大，易損壞，系統(tǒng)不穩(wěn)定，可靠性差。

為了解決上述問題，開發(fā)了一種基于觸摸屏的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵試驗(yàn)臺(tái)。觸摸屏是集信息顯示、處理、通信和控制于一體的綜合信息系統(tǒng)，具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等諸多優(yōu)點(diǎn)。將轉(zhuǎn)向泵的4個(gè)測(cè)試程序編制好存入控制系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，用觸摸屏組態(tài)軟件編輯圖形菜單，分別啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。另外人－機(jī)界面添加手動(dòng)和自動(dòng)兩種測(cè)試方式，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。

1 觸摸屏與控制系統(tǒng)通信

1.1 觸摸屏與單片機(jī)的硬件連接

人－機(jī)界面控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)和觸摸屏，其硬件連接如圖1所示，觸摸屏和單片機(jī)采用主從通信方式，觸摸屏作為主機(jī)，單片機(jī)作為從機(jī)。Samkoon SA系列觸摸屏有3個(gè)設(shè)備連接端口，1個(gè)PC(USB)端口用于程序下載，2個(gè)RS232/RS422/RS485 端口用于通信，由于單片機(jī)AT89S52 無RS232接口，因此需要擴(kuò)展一片MAX232，將TXD、RXD的TTL 電平轉(zhuǎn)換成RS232 電平。為實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)一對(duì)一通信，用一根RS232 通信電纜連接單片機(jī)RS232口與觸摸屏通信COM1口，其中包括通信電纜DB9的2－2，、3－3，5－5。

圖1 觸摸屏與單片機(jī)硬件連接

1.2 觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

(1)設(shè)置通信參數(shù)

觸摸屏與單片機(jī)通信參數(shù)設(shè)置為:波特率9 600，數(shù)據(jù)位8位，1個(gè)停止位，主機(jī)觸摸屏地址為0，從機(jī)單片機(jī)地址為1。打開Samkoon 觸摸屏組態(tài)軟件SamDraw3.3，打開文件新建工程，輸入工程名稱，在選擇型號(hào)下拉菜單中選擇觸摸屏的型號(hào)SA-7A/B(800* 480 7.0’)，單擊下一步，試驗(yàn)臺(tái)采用觸摸屏為主機(jī)、單片機(jī)為從機(jī)的通信方式，因此在設(shè)備服務(wù)下拉菜單中選擇MODBUS，后備欄中選擇MODBUS RTU Master，單擊下一步，完成如圖2所示的通信參數(shù)設(shè)置。

(2)觸摸屏組態(tài)畫面編輯

根據(jù)試驗(yàn)大綱要求，汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵試驗(yàn)臺(tái)人－機(jī)界面應(yīng)該具有以下5個(gè)功能:

①完成跑合、安全閥調(diào)節(jié)、容積效率測(cè)試和最大流量測(cè)試等實(shí)驗(yàn)流程;

②具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式完成測(cè)試實(shí)驗(yàn);

③顯示當(dāng)前壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù);

圖2 通訊口參數(shù)設(shè)置

④可設(shè)定被測(cè)轉(zhuǎn)向泵油壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù);

⑤產(chǎn)品不合格或者扭矩過大報(bào)警功能。

觸摸屏畫面元件讀取地址的設(shè)備類型有0x、1x、3x、4x 等選項(xiàng)。0x表示讀取的是控制器的輸出信號(hào)(可讀可寫)，可作為位狀態(tài)指示燈、按鍵、觸發(fā)控制位。1x表示讀取的控制器的輸入信號(hào)(只讀)，可用作觸摸屏上的狀態(tài)指示燈。3x 和4x指控制器的寄存器地址類型，其中3x是只讀的，因此3x可作為觸摸屏中數(shù)值顯示元件和多狀態(tài)指示燈。4x是可讀可寫的，可作為觸摸屏中的數(shù)值輸入元件和多狀態(tài)設(shè)定元件。它們的取值范圍1—65535。觸摸屏組態(tài)畫面主要包括手動(dòng)方式和自動(dòng)方式兩個(gè)畫面，如圖3和圖4所示。

圖3 手動(dòng)方式組態(tài)畫面

圖4 自動(dòng)方式組態(tài)畫面

圖3為測(cè)試試驗(yàn)手動(dòng)方式，該組態(tài)畫面是用戶根據(jù)需要設(shè)定試驗(yàn)的油壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)來完成測(cè)試的實(shí)驗(yàn)流程，提高了設(shè)備的產(chǎn)品適應(yīng)性能。畫面中有電機(jī)啟、電機(jī)停、比例閥啟、比例閥停、急停按鈕5個(gè)位元件，其監(jiān)視地址分別設(shè)置為0x1、0x2、0x3、0x4、0x5。設(shè)置了實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速(16位整數(shù))、實(shí)時(shí)溫度(32位浮點(diǎn)數(shù))、實(shí)時(shí)壓力(32位浮點(diǎn)數(shù))、實(shí)時(shí)扭矩(32位浮點(diǎn)數(shù))等4個(gè)數(shù)值顯示元件，其監(jiān)視地址分別設(shè)置為3x1、3x3、3x7、3x11。添加了轉(zhuǎn)速設(shè)置(16位整數(shù))和壓力設(shè)置(32位浮點(diǎn)數(shù))兩個(gè)數(shù)值輸入元件，其監(jiān)視地址分別設(shè)置為4x1、4x3。為保護(hù)變頻電動(dòng)機(jī)，在組態(tài)畫面上設(shè)置報(bào)警控件元件，用來監(jiān)視扭矩大小，當(dāng)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障導(dǎo)致過載，超出設(shè)定扭矩界限時(shí)會(huì)報(bào)警提示并停止，類比報(bào)警區(qū)設(shè)置讀取地址3x11，大小4個(gè)字節(jié)，掃描時(shí)間為1 s，用戶可根據(jù)變頻電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)定扭矩報(bào)警界限。

圖4為測(cè)試試驗(yàn)自動(dòng)方式，該組態(tài)畫面主要功能有:用戶首先編制好4個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)程序存入控制系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)控制按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)完成相應(yīng)的跑合實(shí)驗(yàn)、安全閥調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)、容積效率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、最大流量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，不合格則報(bào)警提示并停止運(yùn)行。轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、扭矩等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示監(jiān)視地址設(shè)置與手動(dòng)控制畫面中設(shè)置一樣。畫面中有設(shè)置兩個(gè)畫面按鈕，自動(dòng)方式和手動(dòng)方式，用于這兩個(gè)控制畫面之間的切換。

1.3 MODBUS 通信協(xié)議

MODBUS協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，該協(xié)議定義了一個(gè)控制器都能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，使得控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間可以通信，目前已成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于此協(xié)議，不同的廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)行集中監(jiān)控。MODBUS協(xié)議有ASCII和RTU 兩種傳輸模式，在波特率相同情況下，RUT模式比ASCII模式傳送更多的數(shù)據(jù)，因此試驗(yàn)臺(tái)采用RUT模式通信。MODBUS 通信協(xié)議的基本通訊單元稱為報(bào)文，每條報(bào)文包括報(bào)文頭、數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)碼3個(gè)部分，串行通信時(shí)是以字符幀為最小傳送單位，11位字符幀包括8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。MODBUS RUT 傳輸模式下一個(gè)報(bào)文是由從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)域和CRC 校驗(yàn)碼組成，一個(gè)典型報(bào)文格式如表1所示。報(bào)文發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始，在最后一個(gè)傳輸字符之后，至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)志報(bào)文的結(jié)束，以保證一個(gè)報(bào)文作為一連續(xù)信息傳輸。Samkoon系列HMI 內(nèi)置MODBUS 從站通訊協(xié)議，支持的MODBUS協(xié)議功能碼為0x01，0x03，0x05，0x06，0x10，因此單片機(jī)控制系統(tǒng)和Samkoon系列觸摸屏可采用MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。

表1 通信報(bào)文格式

1.4 通信軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏和單片機(jī)采用主從通信方式，觸摸屏作為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。觸摸屏根據(jù)組態(tài)畫面控件的功能不斷向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)接收到觸摸屏的指令后，進(jìn)行判斷和校驗(yàn)，并作出相應(yīng)的應(yīng)答。程序流程如圖5所示。

例如觸摸屏數(shù)值顯示元件‘實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速’的監(jiān)視地址為3x1，讀取單片機(jī)6BH為首地址的一個(gè)字(6BH，6CH)的值，顯示測(cè)試試驗(yàn)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。單片機(jī)通信程序如下。

圖5 通信程序流程

2 試驗(yàn)結(jié)果

考察該設(shè)備的測(cè)試試驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)是否能準(zhǔn)確控制被試轉(zhuǎn)向泵的壓力和轉(zhuǎn)速，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽驗(yàn)所得結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速和壓力

表2中轉(zhuǎn)速的最大誤差為0.67%，壓力的最大誤差為2%，均在試驗(yàn)大綱所規(guī)定的±5%的范圍之內(nèi)。該汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵試驗(yàn)臺(tái)人－機(jī)界面不僅操作簡(jiǎn)便，而且能保證控制的精度。

3 結(jié)束語

由于對(duì)設(shè)備的智能化程度要求越來越高，對(duì)操作性的要求也越來越高，觸摸屏觸控操作簡(jiǎn)單、便捷、人性化，有望成為人機(jī)互動(dòng)的最佳界面并迅速普及。文中介紹的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵試驗(yàn)臺(tái)人－機(jī)界面使測(cè)試試驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)便化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修改，提高了測(cè)試精度和工作效率。通過組態(tài)軟件修改觸摸屏界面，該方案就可移植到其他系統(tǒng)中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

【1】QC/T 300-1999 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵臺(tái)架試驗(yàn)方法[S].

【2】趙代勇，張國(guó)智，康佼.動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓泵試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備[J].液壓與氣動(dòng)，2000(1):48－50.

【3】路平，薛樹琦.Modbus協(xié)議下單片機(jī)與eView 觸摸屏的通信方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(4):46－48.

【4】金杰.基于MODBUS協(xié)議的單片機(jī)與觸摸屏通信[J].科技與信息，2010(14):235－236.

【5】尤慧芳.用MODBUS 實(shí)現(xiàn)觸摸屏與單片機(jī)的通信[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008(12):63－66.

【6】尤慧芳.MODBUS RUT 單片機(jī)通信程序編寫方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(12):86－87.

【7】尹志強(qiáng)，王玉琳.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【8】求是科技.單片機(jī)通信技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京:人民郵電出版社，2005.

【9】馮育長(zhǎng)，雷思孝，馬金強(qiáng).單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例分析[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

【10】韓兵.觸摸屏技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.