基于虛擬儀器技術(shù)的步進電機式汽車儀表的設(shè)計

1、2008年第8期儀表技術(shù)與傳感器InstrumentTechniqueandSensor2008No18基于虛擬儀器技術(shù)的步進電機式汽車儀表的設(shè)計藍天,廖承林(中國科學(xué)院電工研究所,北京100080)摘要:運用虛擬儀器技術(shù)思想并采用控制系統(tǒng)快速原型的理念設(shè)計出一套新穎的步進電機式汽車儀表系統(tǒng)。基于LabVIEW和CompactRIO控制器核心系統(tǒng)平臺進行軟硬件開發(fā)。系統(tǒng)具備良好的人機交互界面,具有控制、監(jiān)控儀表運行的功能,達到了良好的控制要求。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)比傳統(tǒng)的基于單片機的設(shè)計方式有很大的優(yōu)越性,系統(tǒng)還可作為汽車儀表控制策略及新功能的研發(fā)測試平臺。關(guān)鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;Com

2、pactRIO;步進電機;汽車儀表中圖分類號:TP216文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002-1841(2008)08-0018-04DesignofAutomobileInstrumentUsingStepperMotorBasedonVirtualInstrumentLANTian,LIAOCheng2lin(InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciBeijinga)Abstract:Thispaperpresentedthedesignofanoriginalautomobilesystembythetechniqueofvir

3、tualinstrumentandthemethodofrapidprototypingthesoftthehardwaredevelopmentwasbasedonthegraphicallanguageLabVIcontrollerofthesystemplatform.Thesys2tempossessedaaccomplishthefunctionofcontrollingandmonitoring,whichreachedthetothetraditionaldesignmethodbyusingMCU,theapplicationofvirtualinstrumenttechniq

4、uehasanditcanalsobecomethebasicplatformofresearchinganddevelopingnewcontrolstrategiesaswellasfunctions.Keywords:virtualinstrument;LabVIEW;CompactRIO;steppermotor;automobileinstrument0引言1NICompactRIO及其開發(fā)特點介紹CompactRIO采用的是可重新配置I/O接口的FPGA技術(shù)汽車儀表從最初的基于機械作用力而工作的機械式儀表,經(jīng)歷4代的發(fā)展1,到目前最新的步進電動機式全數(shù)字汽車儀表。步進電機式儀表的指

5、示精度遠遠高于國家標(biāo)準(zhǔn),具有分度均勻,指針的重復(fù)性能好、響應(yīng)速度快、無抖動,產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點,而且批量生產(chǎn)成本有望低于同等功能的模擬電子式汽車儀表2。步進電動機式汽車儀表在歐美應(yīng)用已相當(dāng)普及。目前,我國也正在致力于發(fā)展這種儀表技術(shù)。在步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計中,傳統(tǒng)方法是用單片機控制器實現(xiàn)步進電機控制,此方法雖然可行,但由于線路復(fù)雜而且制成后不易調(diào)整,存在很大局限性。因此,采用基于虛擬儀器圖形化編程軟件LabVIEW和NICompactRIO可重新配置I/O的可編程自動化控制器,實現(xiàn)一種實現(xiàn)超高性能和自定義的接口輸入輸出類型和方式,接口內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號調(diào)理模塊,

6、達到工業(yè)級信號采集和控制要求。應(yīng)用時,編寫的下位機LabVIEWFPGA程序可以下載到設(shè)備中的FPGA芯片中,程序的運行是基于底層硬件并行處理的,保證了實時性?？刂破鞫薒abVIEWRT程序運行于實時操作系統(tǒng)平臺與FPGA端程序進行內(nèi)部數(shù)據(jù)交互,可以實現(xiàn)實時控制、數(shù)據(jù)采集、控制監(jiān)控、動態(tài)顯示的功能。實時控制器通過以太網(wǎng)與PC機連接,便于通過PC對系統(tǒng)監(jiān)控。CompactRIO開發(fā)架構(gòu)關(guān)系圖見圖12系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)3。如圖2所示,系統(tǒng)以CompactRIO為控制器核心,整個控制系統(tǒng)主要由信號檢測模塊和儀表控制驅(qū)動模塊構(gòu)成。在系統(tǒng)的軟件開發(fā)中,每個模塊均需設(shè)計控制器端RT程序和FPGA端程序。信號檢

7、測模塊主要由控制輸出信號部分、電平匹配電路部分和輸入信號采集處理部分組成。該模塊可以模擬實際的儀表傳感器輸出信號,并可對其進行輸出控制,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和程序處理,在顯示屏上清晰準(zhǔn)確的實時顯示出車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、里程等信息。儀表控制驅(qū)動模塊主要由控制算法部分、控制信號輸出部步進電機式全數(shù)字汽車儀表的系統(tǒng)設(shè)計,自主開發(fā)軟硬件,構(gòu)建一個研發(fā)步進電機式儀表功能的系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)采用了FPGA底層硬件和LabVIEW編程方式,實現(xiàn)了基于模型的快速原型設(shè)計,具備了較好的人機交互界面,可以進行上位機控制操作及數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示功能。基金項目:“十一五”國家“八六三”計劃節(jié)能與新能源汽車重大項目課題(2006AA11A

8、129)收稿日期:2007-09-06收修改稿日期:2008-05-29© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第8期藍天等:基于虛擬儀器技術(shù)的步進電機式汽車儀表的設(shè)計19圖1NICompactRIO架構(gòu)關(guān)系圖vtk式中:v為車速,km/h;n為每指定間隔時間內(nèi)輸入脈沖數(shù);d為車輪直徑;t為指定間隔計數(shù)時間,ms;k為脈沖數(shù)每轉(zhuǎn).(2)里程值的基本換算方法:h總脈沖輸入計數(shù)器kd1000式中h。)t:p為轉(zhuǎn)速值,r/min;m為發(fā)動機每個指定間隔時間內(nèi)輸入

9、脈沖數(shù);w為發(fā)動機每轉(zhuǎn)對應(yīng)的脈沖數(shù)。312板卡間電平匹配電路由于DO板卡NI-9472要對步進電機控制電路施以邏輯高電平為5V的控制信號,因此DO板卡需要5V電源供電,而NI-9421板卡確認(rèn)的邏輯高電平是12V.因此,需要板卡間電源匹配電路。采用TLP127光耦電路如圖3和圖4所示,可以實現(xiàn)5V/0V邏輯電平對到12V/0V邏輯電平對的轉(zhuǎn)換。圖2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖分和驅(qū)動電路部分等組成。該模塊把信號檢測模塊換算出來的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號,按照自適應(yīng)的控制算法輸出特定的控制信號至步進電機驅(qū)動電路,帶動指針式儀表實時跟蹤發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速,也可以人為控制和監(jiān)測信號的各種參數(shù)及控制效果。3信號檢測模塊的

10、設(shè)計311汽車車速、里程和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的測量計算方法汽車車速傳感器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器通常采用霍爾器件。當(dāng)輪軸開始旋轉(zhuǎn)時,霍爾效應(yīng)傳感器會產(chǎn)生一連串脈沖信號,脈沖的頻率將隨著速度值的增加而增加。脈沖頻率的變化可以反映出速度的變化情況4313信號檢測模塊的軟件設(shè)計31311CompactRIOFPGA端程序的設(shè)計。實際操作中,將控制產(chǎn)生可調(diào)的模擬車速轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號通過NI-9472數(shù)字量輸出卡的DO0端口輸出,然后通過電壓匹配電路和NI-9421數(shù)字量輸入卡DI0端口將檢測到的變化的脈沖信號進行數(shù)據(jù)處理,以獲取車速里程及發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息并顯示出來供研究人員監(jiān)控。在程序中按如下公式對檢測到的輸入信

11、號進行換算處理:(1)車速值的基本換算方法:對CompactRIO的FPGA硬件模塊編寫的LabVIEWFPGA程序分為3個主要的功能。第一個功能是通過DO0端口輸出用戶可控,用于模擬實際速度傳感器信號的PWM脈沖寬度調(diào)制信號,通過改變脈沖信號的高或低電平寬度可以改變PWM信號的占空比和頻率周期。在輸出允許階段,將會一直根據(jù)試驗需要輸出可隨時變化的PWM信號。第二個功能是PWM脈© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 20InstrumentTechniq

12、ueandSensorAug12008沖的總輸入計數(shù),設(shè)定信號采樣判斷時間,脈沖采集DI0端記錄下PWM脈沖總數(shù)的目的是將其傳送到控制器端RT程序中做進一步處理,計算出汽車的里程計數(shù)值。第三個功能是記錄下時間t內(nèi)的脈沖輸入計數(shù)值n,可以指定間隔計數(shù)時間t和DI板卡的采樣周期,目的是將其傳送到下面的控制器端RT程序中做進一步處理計算出汽車車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。31312CompactRIO控制器端RT程序的設(shè)計編寫CompactRIO控制器端RT程序?qū)崿F(xiàn)了控制器和FPGA模塊的信息交互并經(jīng)界面控制顯示重要信息5-6。由控制器端傳遞給FPGA模塊的可控信息包括:DO0輸出脈沖的高、低電平寬度設(shè)定,D

13、O開關(guān)鍵,總脈沖重新計數(shù)鍵,總DI計數(shù)開關(guān)鍵,DI間隔計數(shù)的采樣周期設(shè)定,指定間隔計數(shù)時間設(shè)定,DI間隔計數(shù)開關(guān),PWM脈沖總輸出輸入開關(guān)鍵。按照前述車速、里程、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的計算方法,控制器獲得的FPGA模塊的檢測信息有:總輸入脈沖計數(shù)值和每指定間隔時間內(nèi)脈沖輸入計數(shù)值以及依用戶設(shè)定的一些參數(shù)值如車輪直徑d,車輪每轉(zhuǎn)對應(yīng)的脈沖個數(shù)k和發(fā)動機每轉(zhuǎn)對應(yīng)的脈沖個數(shù)w,通過它們實時計算出車速、里程、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的結(jié)果并在前面板上顯示出來。該程序的LabVIEW成了4個部分,分別是速PWM、儀表顯示區(qū)。圖5信號檢測模塊PC機顯示界面測到的實際物理信號的變化過程從而準(zhǔn)確方便的觀測到車儀表指針的變化情況。4儀

14、表控制驅(qū)動模塊的設(shè)計411硬件設(shè)計08電機驅(qū)動芯片,2VIVID66-08可以使得VID29系,此時電機能更連續(xù)、平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。驅(qū)動芯片需要兩組來自程序控制的NI-9472DO輸出信號用于控制步進電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和方向達到實時跟蹤的目的。步進電機控制驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。圖6步進電機控制驅(qū)動電路412儀表控制策略研究大,反之越小。旋轉(zhuǎn)的角度取決于此間隔t內(nèi)的速度變化值。按照這種控制方式達到了表針柔和旋轉(zhuǎn)并快速跟蹤實際速度變化的動態(tài)效果。413軟件設(shè)計41311CompactRIOFPGA端程序的設(shè)計儀表跟蹤車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的具體方法是選擇合適的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化值采樣間隔時間周期參數(shù)t作為

15、每次跟蹤前后速度變化的時間跨度,每經(jīng)過時間t,采樣并換算讀取出當(dāng)前的速度值,計算出相鄰2次采樣的速度差值,換算出需要驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)的微步數(shù)及方向來控制指針的旋轉(zhuǎn)。采用自適應(yīng)的控制策略是令每個間隔周期t內(nèi)輸出微步脈沖的周期=t/需要輸出的脈沖微步數(shù)。每個周期t內(nèi)的指針旋轉(zhuǎn)速度取決儀表控制驅(qū)動模塊的FPGA端程序分為2個部分,分別是通過給定的車速或發(fā)動機轉(zhuǎn)速值來按照算法計算出控制信號控制步進電機旋轉(zhuǎn)跟蹤給定值。程序的基本流程圖如圖7所示。在該程序中,NI-9472卡的DO1端口用于輸出控制車速于此間隔內(nèi)的速度變化率即加速度,變化率越大則指針轉(zhuǎn)速越© 1994-2009 China Ac

16、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第8期藍天等:基于虛擬儀器技術(shù)的步進電機式汽車儀表的設(shè)計21表步進電機的脈沖信號,DO2用于車速表轉(zhuǎn)向控制,DO3用于復(fù)位建,DO4用于輸出控制轉(zhuǎn)速表步進電機的脈沖信號,DO5用于發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)向控制。車速表的精度設(shè)定為1km/h,轉(zhuǎn)速表精度設(shè)定為50r/min.該程序使用的自適應(yīng)的控制算法達到了精準(zhǔn)微步控制,平穩(wěn)精確指示,指針不抖動,噪音很低,抗震性強的靜動態(tài)效果。方向。由于該控制策略達到了較高的精度和準(zhǔn)度,這個界面可以隨時對比監(jiān)控步進電機式儀表的運行效果,與傳

17、統(tǒng)單片機設(shè)計方式比較體現(xiàn)出多種優(yōu)越性。圖8儀表控制驅(qū)動模塊PC5VIEW軟件平臺IO,開發(fā)了一套步進電機,軟件開發(fā)效率,程序可讀性強,維護容易,便于重復(fù)性實驗,系統(tǒng)操作簡單,使用可靠的效果,最終縮短了設(shè)計時間,降低了硬件開發(fā)成本。該系統(tǒng)使得人們可以通過人機交互界面做出對底層硬件的實時控制,從而清晰、方便、準(zhǔn)確的觀測到各控制狀態(tài),方便對不同的要求作出控制策略及功能的調(diào)整和驗證,與單片機式開發(fā)相比較體現(xiàn)出諸多優(yōu)點。設(shè)計通過了工程調(diào)試,性能良好,儀表的精度、反應(yīng)速度及抗干擾性能達到了較高的要求。參考文獻:1許德章.現(xiàn)代汽車儀表技術(shù)與發(fā)展趨勢.汽車電器,2002(5):圖7車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速表控制程序流

18、程圖1-4.2蔣志雄,黃河.基于H8/3802的步進電機式汽車儀表的開發(fā).微計41312CompactRIO控制器端RT程序的設(shè)計儀表控制驅(qū)動模塊的控制器端RT程序的作用是與FPGA模塊程序的控制及數(shù)據(jù)信息的交互。它將前面板設(shè)定好的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速表的旋轉(zhuǎn)控制信息傳遞給下位機,再將主要計算參數(shù)結(jié)果顯示出來。該程序的前面板界面設(shè)計如圖8所示?？梢杂^察到車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的值以及各種控制參數(shù)的值。在程序的前面板中,分成了2個部分:車速表控制和發(fā)動機轉(zhuǎn)速表控制。以車速表控制為例,可以在指定車速控件內(nèi)輸入當(dāng)前希望達到的車速,進行隨時的調(diào)整。車速變化時間間隔參數(shù)對于車速跟蹤效果是很重要的,因為它決定了車速跟蹤的緊密程度,車速表啟停鍵用于控制指針表是否繼續(xù)跟蹤當(dāng)前的車速信號。相鄰間隔車速差指的是在一個跟蹤車速變化的時間周期前后的車速差值,它可以反映汽車此刻的加速度情況。車速變化間隔內(nèi)指針旋轉(zhuǎn)微步數(shù)用于顯示每一個跟蹤車速變化周期時間內(nèi)DO卡輸出控制步進電機的微步數(shù)。車速表脈沖微步周期和頻率變量作為按照自適應(yīng)的控制算法在一個車速跟蹤周期內(nèi)輸出脈沖的基本參數(shù)。車速表指針轉(zhuǎn)向用于顯示當(dāng)前表指針的旋轉(zhuǎn)算機應(yīng)用,2006,27(1):91-93.3NationalInstrumentsCorporation.NICompactRIO可重新配置的控制和采集系統(tǒng)技術(shù)白皮書.20074劉浩