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摘 要： 摘要：針對拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)中，被試車與負荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機動性差的問題，采用無線通信技術開發(fā)了兩車多機通信功能，增強了試驗車輛機動性。對自制的數(shù)據(jù)采集器進行了模擬量通道檢測，牽引力通道信號最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度
摘要：針對拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)中，被試車與負荷車之間有線連接繁雜、工作可靠性低及機動性差的問題，采用無線通信技術開發(fā)了兩車多機通信功能，增強了試驗車輛機動性。對自制的數(shù)據(jù)采集器進行了模擬量通道檢測，牽引力通道信號最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度為0.06%。靜態(tài)試驗結果表明：在良好通信條件下，系統(tǒng)能夠進行準確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，最大有效傳輸距離為520m。
動態(tài)試驗結果表明：在兩車相距15m范圍內，性能測試系統(tǒng)能夠實時進行數(shù)據(jù)采集、交換及管理。被試拖拉機在無線通信與有線通信測試條件下，試驗性能參數(shù)最大相對誤差為0.98%，此誤差在傳感器精度范圍內。靜動態(tài)對比試驗結果表明：牽引性能測試系統(tǒng)的振動對無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響，動態(tài)試驗數(shù)據(jù)接收率為97.36%，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。
關鍵詞：無線通信技術,拖拉機,牽引性能測試,通信協(xié)議,負荷車
牽引特性試驗是拖拉機的重要性能及其最終評價依據(jù)。牽引性能測試系統(tǒng)能夠對試驗牽引特性進行精確測量[1]，測試系統(tǒng)包括被試車子系統(tǒng)和負荷車子系統(tǒng)。
21世紀前，美國內布拉斯加拖拉機實驗室、英國農(nóng)業(yè)工程研究所、日本農(nóng)業(yè)機械化研究所、中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院、中國洛陽拖拉機研究所及美國迪爾公司等國內外少數(shù)拖拉機試驗站和生產(chǎn)企業(yè)，對牽引性能測試系統(tǒng)進行了研發(fā)，但由于傳感器技術和測試技術相對落后，負荷車與被試車之間均采用有線連接[2]。
進入21世紀，對牽引性能測試系統(tǒng)的研究主要集中在負荷車功率的提升、吸功裝置與負荷車動力的匹配、先進控制算法在負荷車加載系統(tǒng)中的應用、負荷車傳動系統(tǒng)布置及負荷車多功能性的開發(fā)方面[3-4]。廈門市產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗院研發(fā)的300kN負荷車，在負荷車與被試車之間仍沿用有線連接[5]。
中國汽車工程研究院股份有限公司和國家拖拉機質量監(jiān)督檢驗中心對負荷車的性能進行了升級，但對負荷車與被試車之間信息傳輸方式的研究未見報道[6-7]。有線傳輸雖然在數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、安全性及成本方面具有一定的優(yōu)勢[8]，但被試車與負荷車之間繁雜的有線連接，降低了測試系統(tǒng)機動性，阻礙了系統(tǒng)功能擴展。布線質量也會對系統(tǒng)工作可靠性產(chǎn)生較大影響。無線通信技術的優(yōu)勢在于系統(tǒng)布線簡單，設備機動性強，可擴展性好[9-11]，很大程度上可改善拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀。
因此，本文將無線通信技術應用到拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)信號采集與數(shù)據(jù)短距離無線傳輸，利用嵌入式技術開發(fā)試驗監(jiān)測終端，使系統(tǒng)集成簡單，測量精準，對測試條件的變化適應性增強。
1無線通信方案設計
拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)中負荷車與被試車最大間距為15m，系統(tǒng)采樣頻率為10Hz。試驗環(huán)境為空曠試驗場，無線節(jié)點覆蓋整個測試系統(tǒng)，包括監(jiān)視器、加載控制器及數(shù)據(jù)采集器，因此，該系統(tǒng)屬于短距離低頻率兩車多機通信。
被試車為低速牽引類工程車輛，負荷車由某型號拖拉機改裝而成�；贛odBus網(wǎng)絡構架，上位機、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)視器及加載控制器間采用主機廣播半雙工通信方式進行無線數(shù)據(jù)傳輸，可以支持247個遠程從機，且具有良好的擴展性[12-14]。
該無線網(wǎng)絡通信距離短，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，因此，發(fā)射模塊采用高斯頻移鍵控(Gaussfrequencyshiftkeying，GFSK)調制方式，具有良好的抗噪抗衰性。主、從機電源為車載電源和逆變電源，能量充足，因此，發(fā)射模塊的發(fā)射功率能夠確保信號準確傳輸。
1.1被試車子系統(tǒng)
拖拉機試驗牽引特性指被試車在一定路面條件下穩(wěn)定工作時，滑轉率、車速、牽引功率、油耗量和牽引效率隨牽引力的變化規(guī)律。因此，被試車子系統(tǒng)主要對被試車進行參數(shù)測量，包括發(fā)動機轉速、發(fā)動機油耗、理論車速、實際車速及牽引力。數(shù)據(jù)采集器將各傳感器信號采集并發(fā)送至上位機，監(jiān)視器Ⅰ接收上位機指令，顯示試驗狀態(tài)、測試擋位及操作命令，便于被試車駕駛員做出相應的操作。
有1個模擬信號通道和5個數(shù)字信號通道。牽引力通道內置信號調理放大電路，通過12位模數(shù)(analogtodigital，AD)轉換器轉換為數(shù)字信號，測量誤差小于0.1%，采樣頻率不小于30kHz。車速通道外接全球定位系統(tǒng)(globalpositionsystem，GPS)車速傳感器，測速周期小于0.5s，誤差小于0.1%，每脈沖4mm標定，連續(xù)測量距離不小于67km。
發(fā)動機轉速通道外接晶體管晶體邏輯(transistortransistorlogic，TTL)電平，測速周期小于0.5s，誤差小于0.1%。左右驅動輪轉數(shù)通道與油耗通道均外接TTL電平，具備加減計數(shù)和防抖動功能，連續(xù)正向計數(shù)不小于1.6×107個脈沖，不會發(fā)生溢出。
1.2負荷車子系統(tǒng)
負荷車子系統(tǒng)提供被試車需要的牽引載荷，通過動力輸出軸加裝電渦流緩速器實現(xiàn)可控加載。負荷車加裝設備有逆變器、直流穩(wěn)壓電源、電渦流緩速器及其控制裝置等。上位機是整個測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、顯示、記錄中心，負責將數(shù)據(jù)和操作命令發(fā)送至監(jiān)視器和加載控制器，并接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的實時測量數(shù)據(jù)。直流穩(wěn)壓電源由變壓器、濾波器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成，接收加載控制器的控制信號，調節(jié)電渦流緩速器的輸入電壓，改變電渦流緩速器的加載轉矩。逆變器為直流穩(wěn)壓電源、上位機及顯示器等設備供電。監(jiān)視器Ⅱ通過無線通信模塊接收上位機數(shù)據(jù)，便于駕駛員對負荷車做出相應的操作。
2多機無線通信硬件設計
上位機為筆記本電腦，由兩個無線通信模塊組成網(wǎng)關發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，上位機與網(wǎng)關通過串口連接。監(jiān)視器及加載控制器采用工業(yè)級顯示器，配置WindowsCE操作系統(tǒng)，通過RS232串口與無線通信模塊連接。數(shù)據(jù)采集器通過串口與外置無線通信模塊連接。
發(fā)動機油耗儀在小流量的情況下會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，造成計數(shù)不準或計數(shù)器溢出，因此，設計了加/減計數(shù)器，可實現(xiàn)準確計數(shù)，提高了測量精度。采用嵌入式技術對監(jiān)視器及加載控制器外圍電路進行了設計，保證其穩(wěn)定工作。為檢驗數(shù)據(jù)采集器各采集通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性、準確性及采集精度，對各通道進行了計量。以牽引力采集通道為計量通道，對模擬量轉換精度進行了檢驗。
選取0～5V為測量量程，在量程內設定20個測量點，數(shù)據(jù)采集器將預設電壓值無線發(fā)送至上位機，上位機將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)視器Ⅱ。牽引力采集通道檢測最大誤差為3mV，系統(tǒng)線性度最大誤差與量程的比值為0.06%。
3無線通信協(xié)議制定及軟件開發(fā)
基于RS232串行通信方式，制定了上位機與監(jiān)視器Ⅰ、監(jiān)視器Ⅱ和監(jiān)視器Ⅲ之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。上、下位機采用主從結構和點對點通信模式，上位機采用查詢方式、下位機采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。
�、偕衔粰C發(fā)送交握信號(0xAA)，等待應答碼。
�、谙挛粰C收到交握信號后，若信號正確，則發(fā)送0xAA作為應答，并等待接收數(shù)據(jù)包;否則，發(fā)送0xEE作為應答，等待接收下一循環(huán)交握信號。
�、凵衔粰C收到應答碼后，若交握成功，則發(fā)送38字節(jié)的數(shù)據(jù)包，等待接收應答碼;若交握失敗，則重新聯(lián)絡，當連續(xù)10次交握失敗，輸出提示信息，通信結束。
④下位機收到數(shù)據(jù)包后，如果數(shù)據(jù)校驗正確，則返回應答碼0xBB;若數(shù)據(jù)校驗有誤，則返回應答碼0xEE，通信結束。
⑤上位機收到應答碼后進行判斷，若數(shù)據(jù)傳送成功，則本次通信結束;若通信不正確，則重新交握�；诙ㄖ频臒o線通信協(xié)議，以VS2005軟件為開發(fā)工具，在VB.NET編程環(huán)境下利用SerialPort控件實現(xiàn)了多機無線通信功能。開發(fā)了測試系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)采集軟件，對試驗進程進行實時監(jiān)測。
上位機每100ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包括廣播地址、功能碼、操作碼、32byte數(shù)據(jù)及循環(huán)冗余校驗(cyclicredundancycheck，CRC)2byte。該軟件除實時監(jiān)測試驗進程外，還可完成系統(tǒng)設置、傳感器設置、牽引特性圖坐標設置、牽引力標定、牽引特性曲線監(jiān)督及通信參數(shù)設置等任務。其中，通信參數(shù)設置功能選項對數(shù)據(jù)采集器和各監(jiān)視器無線通信參數(shù)進行設置，上位機選取通信端口進行無線通信網(wǎng)絡匹配。
4無線通信性能試驗與分析
為了檢驗拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)中無線通信功能在道路試驗中的實用性與可靠性，進行了無線通信性能靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗和靜動態(tài)對比試驗。
4.1靜態(tài)試驗
在空曠地帶對開發(fā)的無線通信設備進行靜態(tài)試驗。無線通信模塊工作頻率設置為433MHz，接收靈敏度為-124dBm，發(fā)射功率為28dBm，參數(shù)設置信道為16，串口波特率為9600bit/s，空中波特率為9600bit/s。
多名測試人員手持上位機與各下位機，設備離地高度為1.5m，測試距離由近漸遠，上位機每隔1s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，直至下位機接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時試驗結束。試驗結果表明：在520m最大有效接收范圍內，各下位機均能準確穩(wěn)定接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)。
4.2動態(tài)試驗
將開發(fā)的無線通信設備嵌入拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)，無線通信模塊參數(shù)設置保持不變，根據(jù)標準GB/T3871.9—93對農(nóng)業(yè)拖拉機牽引試驗的要求，進行動態(tài)牽引試驗。試驗路面為混凝土路面，氣溫為20℃，氣壓為100.1kPa，濕度為45%，牽引點高度580mm，前、后輪輪胎氣壓均為100kPa，拖拉機帶配重。
對主要工作擋位低Ⅱ擋、低Ⅲ擋、低Ⅳ擋進行最大牽引功率試驗，每次加載試驗穩(wěn)定時間大于30s(即保證穩(wěn)定距離大于25m)，先進行空載荷試驗，隨后多次逐級加載，加載級數(shù)不少于12級，直至拖拉機滑轉率達到允許滑轉率為止。由數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制被試車試驗牽引特性圖。
分別對被試車低Ⅲ擋時無線通信和有線通信測試得到的速度v、滑轉率δ、發(fā)動機轉速ne、牽引功率PT、燃油耗GT、燃油消耗率gT及牽引力F取平均值，得到表3所示的測量值對比結果。測試系統(tǒng)采用無線通信與有線通信得到的試驗數(shù)據(jù)平均值最大誤差出現(xiàn)在燃油耗，最大相對誤差值為0.98%，此誤差由發(fā)動機油耗儀精度(0.5%)造成，與測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式無關。通過對比分析說明：測試系統(tǒng)無線通信功能正常，數(shù)據(jù)交換和管理穩(wěn)定，沒有數(shù)據(jù)損壞或丟失現(xiàn)象發(fā)生，測試效率明顯提升。
4.3靜動態(tài)對比試驗
在動態(tài)測試中，負荷車與被試車均存在隨機振動，振動會改變無線模塊天線的指向，從而對無線通信的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[15]。為驗證隨機振動對無線通信穩(wěn)定性的影響，利用無線模塊設置與通信軟件，設置了靜動態(tài)對比試驗。上位機無線通信模塊發(fā)送峰值為2.0V、頻率為1Hz的正弦波，下位機無線通信模塊接收，以接收率評價無線通信的穩(wěn)定性(接收率定義為下位機接收到的數(shù)據(jù)與上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的比值)。
靜態(tài)試驗中，上位機無線通信模塊與下位機無線通信模塊間距為15m，即負荷車與被試車最大間距為15m。靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)接收率為100%，動態(tài)試驗數(shù)據(jù)接收率為97.36%，說明在動態(tài)測試中負荷車與被試車的振動對無線通信的穩(wěn)定性有一定影響，但接收率均在95%以上，能夠滿足通信穩(wěn)定性的要求。在拖拉機牽引特性試驗中，應盡量減少負荷車與被試車的振動，以提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性。
5結論
將拖拉機測試技術與無線通信技術相結合，開發(fā)了拖拉機牽引性能測試系統(tǒng)上位機測試軟件、下位機數(shù)據(jù)采集器及監(jiān)視器無線通信功能。采用無線技術進行兩車多機通信，改善了系統(tǒng)物理連接，增強了試驗車輛機動性。靜態(tài)試驗與動態(tài)試驗結果驗證了無線通信性能良好，在設定條件下，數(shù)據(jù)最大有效接收距離可達520m，動態(tài)試驗數(shù)據(jù)接收率為97.36%。由于無線通信網(wǎng)絡具有良好的穩(wěn)定性和擴展性，因此，為進一步研究虛擬儀表技術在拖拉機牽引特性測試系統(tǒng)中的應用奠定了基礎。
參考文獻：
[1]李忠利，閆祥海，周志立.負荷車電渦流緩速器加載控制系統(tǒng)研究[J].西安交通大學學報，2018，52(3)：126-131.
[2]陳俊杰，趙全欣，吳耘.國內外負荷車概況[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，1998(4)：46-50.
[3]陳英杰，王書茂，代峰燕，等.F15型負荷車測控系統(tǒng)設計[J].工程機械，2013，44(7)：36-40.
[4]王天穎，項昌樂，李明喜，等.負荷車試驗系統(tǒng)的模糊自適應PID控制[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007(6)：997-1000.
[5]田力軍.300kN多功能負荷牽引測試車的研發(fā)[J].工程機械，2011，42(9)：12-15.
[6]張亞.重型動力負荷車的總體設計[J].中國設備工程，2018(6)：156-159.
[7]王寧毅，苑偉，陳俊杰，等.FHC200拖拉機負荷車研制[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2017，44(2)：52-54.
推薦期刊：《工程機械》主管單位：天津工程機械研究院，主辦單位：天津工程機械研究院，國內統(tǒng)一刊號：12-1328/TH，國際標準刊號：1000-1212，所設欄目：微機應用與智能化、產(chǎn)品結構、試驗研究、設計計算、專題綜述、液壓液力、工藝材料、使用維修。