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1、第10章智能侧滑仪设计实例10.1应用背景简介10.2侧滑检测的原理和侧滑试验台的结构10.3智能侧滑仪的主要功能和技术指标要求10.4智能侧滑仪的总体设计10.5智能侧滑仪的硬件电路设计10.6智能侧滑仪的软件设计10.1应用背景简介图10-1主销内倾角和前轮外倾角示意图10.2侧滑检测的原理和侧滑试验台的结构10.2.1侧滑产生的原理10.2.2侧滑检测的基本原理10.2.3侧滑试验台的基本结构10.2.1侧滑产生的原理图10-2车辆侧滑产生示意图a)车轮前束引起侧滑示意图b)车轮外倾引起侧滑示意图10.2.2侧滑检测的基本原理1.滑板仅受到车轮外倾角的作用时引起的侧滑2.车辆前束引起的侧
2、滑3.滑动板受到车轮外倾角和前束角的同时作用1.滑板仅受到车轮外倾角的作用时引起的侧滑图10-3车轮外倾引起的侧滑2.车辆前束引起的侧滑当车辆向前通过滑板时，由于前束的作用，两前轮滚动时有向内靠拢的趋势，但由于汽车刚性前梁的约束，两前轮不会真正向内靠拢，而是两前轮分别给滑动板一个向外的作用力，使左右两侧的滑动板向外滑动，如图10-4所示。3.滑动板受到车轮外倾角和前束角的同时作用图10-4前束引起的侧滑10.2.3侧滑试验台的基本结构1.机械部分2.测量传感器3.测量仪表10.2.3侧滑试验台的基本结构图10-5双板联动式侧滑试验台结构1仪表2传感器3回位机构4限位装置5右滑板6锁定装置7双摇
3、臂杠杆机构8滚轮9导轨10左滑板11导向装置12框架1.机械部分机械部分包括左、右滑板、双摇臂杠杆机构、回位装置、导向和限位装置等。双板侧滑试验台左、右两块滑板的位移量是相等的，并同时向外或同时向内移动。其中一块滑板上装有位移传感器，能将位移量变成电信号输送给侧滑仪。2.测量传感器测量传感器一般采用电位计式传感器或差动变压器式传感器。电位计式传感器在电位计两端加上一定的电压，当电位计的滑动触点随滑动板移动时，触点的输出电压与位移量成正比，根据该电压的大小可以确定滑动板的位移量。3.测量仪表测量仪表可以采用智能侧滑仪，它一般由A/D转换器、单片机、显示装置、输入按键等部分组成。传感器输出的模拟信
4、号经过A/D转换器送入单片机，单片机经过处理后计算出相应的侧滑量，并把计算结果在显示装置中显示出来。操作人员通过读取侧滑量的显示值，根据测量标准来判断被测车辆的侧滑量是否达标。测量完成后可以自动或手动清零复位，准备下一次测量。输入按键的作用是为了设置一些系统参数。10.3智能侧滑仪的主要功能和技术指标要求1)位移测量范围为：-1010mm，测量精度为0.1mm。2)可以直观地显示侧滑量数值。3)可以静态校准侧滑量。4)侧滑量超出测试标准要求时，能发出报警信号。5)可以手动或自动设置仪表参数。6)具有故障自诊断功能。7)可以通过RS-232或RS-485通信接口和上位机连用。8)具有多路数字量输
5、入信号处理和多路数字量输出控制功能。9)使用操作方便、安全可靠，能连续24小时工作，性价比高。10)体积小、便于安装。10.4智能侧滑仪的总体设计1.数据处理模块的设计2.输入模拟信号的处理3.输出模拟信号的处理4.数字输入信号的处理5.数字输出信号的处理6.人机界面的设计7.通信模块的设计8.软件设计的考虑1.数据处理模块的设计根据智能侧滑仪必须实现数据的自动处理、仪表的自动校准、手动或自动设置仪表参数、故障自诊断等功能要求，可以判断采用数字电路是无法实现这些功能的，必须采用智能化的功能部件才能实现。采用计算机加上一些板卡可以实现这些功能，但这种实现方案的价格较高，也不便于实现仪表的小型化。
6、2.输入模拟信号的处理智能侧滑仪中的输入模拟信号是位移传感器的输出信号，位移传感器的输出信号必须要经过信号调理电路，送入A/D转换电路，才能变为单片机系统能够识别的数字信号，因此输入模拟信号的处理应该包括信号输入端子、信号调理电路和A/D转换电路。3.输出模拟信号的处理分析智能侧滑仪的主要功能和技术指标要求，并不需要模拟输出信号，因此模拟输出信号的处理不予以考虑。4.数字输入信号的处理1)车辆进入测试台的信息。2)车辆停靠到位的信息。3)可以开始测量的状态信息。5.数字输出信号的处理1)声光报警输出信号。2)测试完成指示信号。3)停机控制信号。6.人机界面的设计1)仪器设备的操作界面，即仪器设
7、备正常使用的操作方法。2)仪器设备的干预界面，即仪器在正常的使用过程中，需要进行特殊处理时，控制仪器设备运行的特殊操作方法。3)数据处理结果显示界面，即仪器在完成一次测量处理之后，数据结果显示的方法。4)状态显示界面，即仪器在使用过程中状态信息的指示方法。7.通信模块的设计图10-6车辆侧滑测量过程示意图8.软件设计的考虑(1)系统初始化系统初始化主要对LED、串行接口、特殊功能寄存器、中断、数据缓冲区及变量等进行初始化，使系统复位后进入安全、确定的状态。(2)数据采集数据采集模块的主要功能是把位移传感器送来的模拟侧滑量转换为数字量。(3)数据处理数据处理模块的主要功能是对数据采集模块得到的数
8、字信号进行数字滤波处理，再换算为实际的滑移量值，记录并显示每次测量得到的最大侧滑值。(4)数据或状态显示数据或状态显示的主要功能是实现LED显示器的驱动控制，把数据或状态信息显示出来。(5)键盘扫描处理键盘扫描处理的主要功能是对键盘进行扫描，当有键按下时得到其对应的键值。(6)系统自检和故障检测系统自检主要实现对LED显示器的检测，故障检测主要是对光电开关进行自检，保证接入的光电开关能正常工作。8.软件设计的考虑(7)意外事件处理意外事件处理的主要功能是当测试过程出现意外时，使系统进入安全的状态。(8)自动校准智能仪表的自动校准也是不可或缺的功能，智能侧滑仪的自动校准功能主要实现根据当前侧滑位
9、移量和采集得到的数据量计算出校准系数。(9)串口通信串口通信的主要功能是完成串口的初始化、数据发送和数据接收，实现与上位机的通信功能。(10)通信协议处理通信协议处理的主要功能是实现控制命令的解析和按照规定的格式把发送数据打包。(11)参数设定参数设定的主要功能是对智能侧滑仪的各项参数进行设置，共有22个参数，由于参数较多，每个参数的作用在此不作详细叙述。8.软件设计的考虑表10-1智能侧滑仪的4种工作模式及其对应的功能10.5智能侧滑仪的硬件电路设计1.单片机系统设计2.看门狗和参数存储电路3.位移传感器及信号调理电路设计4.数据采集电路设计5.位置传感器及调理电路设计6.操作按键和显示电路
10、设计7.通信接口电路8.开关量输出控制电路9.电源电路的设计1.单片机系统设计(1)单片机选型问题单片机选型是单片机应用系统设计的重要问题。(2)单片机的存储器扩展问题当单片机内部程序或数据存储器不够用时，所选用的单片机必须具有存储器扩展能力。(3)单片机的I/O扩展和端口分配当单片机的I/O端口不够用时，所选用的单片机必须具有I/O端口扩展能力。(4)单片机的开发系统单片机的开发系统图10-9智能侧滑仪单片机系统电路原理图2.看门狗和参数存储电路图10-10看门狗和参数存储电路原理图3.位移传感器及信号调理电路设计图10-11位移传感器的信号调理电路原理图4.数据采集电路设计图10-12数据
11、采集电路原理图5.位置传感器及调理电路设计图10-13E3JK5M1型接近式光电开关的内部结构示意图6.操作按键和显示电路设计图10-143路光电开关的输入接口电路6.操作按键和显示电路设计表10-4按键功能定义表7.通信接口电路通信接口电路采用标准RS-485，采用MAX485E电平转换芯片来设计，其接口电路原理图如图10-16所示。8.开关量输出控制电路图10-15操作按键和显示电路的组合电路原理图8.开关量输出控制电路图10-16通信接口电路原理图8.开关量输出控制电路图10-17输出控制电路原理图9.电源电路的设计图10-18电源电路原理图10.6智能侧滑仪的软件设计1.主程序2.系统
12、初始化和LED显示器自检模块3.工作模式0处理程序模块4.工作模式1处理程序模块5.工作模式2处理程序模块6.工作模式3处理程序模块7.意外事件处理8.参数设置模块的设计9.自动校准模块10.通信模块1.主程序图10-19主程序的程序流程图2.系统初始化和LED显示器自检模块系统初始化主要完成定时器、串口、中断、端口和变量的初始化，LED显示器的自检是通过在4个LED数码管中显示“8”，用人工检查LED数码管是否存在缺陷的方式来实现的。其程序流程图如图10-20所示。3.工作模式0处理程序模块工作模式0的处理过程是开始测量时显示“0.0”,此后不断采集侧滑位移信号，并记忆检测到的绝对峰值，当连
13、续有效的测量次数达到100次后停止测量，显示记录的最大峰值。显示一定时间后清零准备下一次测量。其程序流程图如图10-21所示。4.工作模式1处理程序模块图10-20系统初始化和LED显示器自检4.工作模式1处理程序模块图10-21工作模式0处理程序流程图4.工作模式1处理程序模块图10-22工作模式1处理程序流程图5.工作模式2处理程序模块图10-23工作模式2处理程序流程图6.工作模式3处理程序模块图10-24工作模式3处理程序流程图7.意外事件处理智能侧滑仪的光电开关出现问题时会使系统功能产生混乱，光电开关的失效对侧滑仪来说是很严重的意外事件。当出现这类问题时，单片机就一直循环检测光电开关
14、不执行其他的程序。光电开关的检测可以采用读取前后两次的状态值，通过判断这两次状态值是否相同来判断光电开关是否正常。7.意外事件处理图10-25光电开关意外损坏检测及处理程序8.参数设置模块的设计10Z26A.TIF8.参数设置模块的设计图10-26参数设置模块程序流程图a)参数设置主程序b)参数设置流程8.参数设置模块的设计图10-26参数设置模块程序流程图(续)c)修改全部参数流程d)修改设备标定参数流程e)修改运行模式流程9.自动校准模块图10-27自动标定模块的程序流程图a)标定上限自标定流程b)标定下限自标定流程10.通信模块图10-28数据接收和数据发送程序流程图10.通信模块图10-29数据解析与数据打包的程序流程图
