基于LabVIEW 的特種車底盤監控系統設計

劉培文，李菁，孫明鳴

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引言

本文中特種車指多軸特種車，主要由動力系統、驅動系統、行駛系統、制動系統、轉向系統、懸架系統、電氣系統、控制系統等組成，實現公路機動、越野機動等功能。其中，控制系統作為特種車底盤的重要組成部分，主要由傳感器、控制器、顯控設備、數據存儲設備、控制電纜、總線通訊電纜、軟件等組成，通過采集傳感器信號、辨識控制輸入、運行控制策略、控制機構動作，實現懸架調高、電液轉向、一鍵取力、行駛檔位控制、自動散熱等功能，顯控設備實現特種車底盤狀態顯示、指令下發等人機交互功能，數據存儲設備實現特種車底盤工作過程全部工作數據的存儲記錄功能。

在特種車底盤研制過程總調階段和售后的維修階段，需要對控制系統總線上各節點控制器的狀態進行實時監控和記錄，并能夠向控制系統各節點控制器發送指令，控制各執行機構動作完成調試工作。本文在控制系統現有基礎上設計了一套監控系統，基于LabVIEW 開發環境設計了一款監控軟件，用于實時顯示和記錄各設備的狀態并能夠向各節點控制器發送指令完成系統調試工作。

1 監控系統的設計目標

（1）在不改變現有控制系統的基礎上，通過共用現有系統調試接口實現控制系統與監控系統的連接；

（2）監控系統輕巧，便于攜帶使用；

（3）根據工程經驗，可以對調試過程中的電磁閥、比例閥、開關量信號等的工作狀態進行監控；

（4）可對模擬量信號等實現數據曲線可視化；

（5）能夠對各控制器配置流程參數、控制參數等，并具備參數一鍵查詢功能；

（6）整個軟件在功能設計完成后需要實現界面化，并能夠以安裝包的形式在任何計算機的環境下進行安裝使用。

2 監控系統實現方案

特種車底盤控制系統網絡架構按照系統實現的功能，設計為兩個總線網段，分別為行駛控制CAN 總線網段、動力及驅動控制CAN 總線網段。

監控系統主要由筆記本電腦、CAN 卡、工裝電纜、監控軟件等組成，監控軟件運行于筆記本電腦；監控系統通過工裝電纜與各網段上的調試接口相連，通過CAN 卡實時在各總線上收發數據，實現對各控制器節點的狀態監控，如圖1 所示。

圖1 控制系統網絡架構及監控系統實現方案

控制系統總線采用CAN 總線通信，幀格式為CAN2.0B擴展幀，通信波特率為250Kbps，數據的發送周期、報文格式滿足SAE J1939 協議要求。幀結構格式如圖2 所示，其中29 位ID 標識符定義見表1。

表1 標識符ID定義

圖2 J1939 擴展幀結構

3 監控軟件設計

■3.1 編譯軟件的選擇

結合監控系統的設計目標，需要選擇一款能夠快速、高效的程序編譯軟件進行監控系統的設計。作為實驗室著名的虛擬儀器開發平臺，LabVIEW 軟件在信號發生、分析、處理及顯示上具有非常明顯的優勢，并且該軟件采用圖形模式的結構框圖構建程序代碼，在程序編寫時基本不需要進行程序代碼的編寫，只需通過各模塊圖標和連線的組合實現流程功能。故文中的系統開發研究采用LabVIEW作為開發軟件[1]。

■3.2 軟件具體實現

監控軟件與網絡上各節點進行實時通信，接收各節點控制器發送的狀態參數，進行顯示和記錄；向各節點控制器發送數據命令，控制輸出端口輸出進而控制電磁閥、比例閥等負載動作。

（1）數據接收模塊

數據接收主要是通過CAN 卡接收各總線上的數據，總線上的數據最小發送周期為50ms，為保證對每一幀數據的有效接收和解析，接收數據循環每25ms 執行一次。每次執行時查詢接收緩沖區的數據，非空時將數據全部取出。

（2）數據處理與顯示模塊

數據處理與顯示模塊主要是接收到控制系統總線上各控制器的通信數據后，以指示燈、數據、曲線圖等方式進行實時顯示。

指示燈顯示：通過主程序的前面板，把指示燈控件放置好位置后，將開關量信號數據連接到控件輸入端，實現狀態變化顯示。

數據顯示：通過主程序的前面板，把數值顯示控件和字符串顯示控件放置好位置后，把讀取出來的數據通過數據流連接到顯示控件的輸入端，可為用戶提供良好的可視化界面顯示。

曲線圖顯示：利用Waveform Chart 圖形顯示控件，可將新接收的數據添加到曲線的尾端，實現數據的實時曲線顯示。

（3）數據存儲模塊

由于監控系統數據包含總線上的開關量信號、模擬量信號、各控制器狀態數據和控制指令數據等，數據量較大，要求數據庫可靠安全。采用SQL Sever 作為測試數據庫，建立數據源，與數據庫建立連接。

為了方便監控數據的后續處理，采用LabSQL 進行數據庫編程對數據進行保存，數據文件在保存的過程中，會遵循“不斷接收，存滿更換”的原則進行數據存儲，當存儲的數據大于設定大小時，便會生成新的存儲文件[2～3]。

（4）時間顯示模塊

為便于用戶使用，設計日期時間顯示，在控件選板中選擇“時間標識輸入控件”，設置為當前時間[4]。實現時間日期的顯示功能。

（5）操作記錄顯示模塊

使用字符串文本框顯示前面板操作過程出現的報警提示信息，便于用戶回看歷史報警信息[5]。

4 監控軟件前面板設計

根據監控系統的功能需求，將監控軟件前面板顯示分為如下四個部分，示意圖如圖3 所示。

圖3 監控軟件前面板示意圖

①軟件名稱顯示部分：該部分顯示軟件名稱；

②功能切換部分：該部分完成對選項卡的切換，從項目管理、開關量狀態監控、模擬量狀態監控、單設備調試、主控配置查詢、通用配置查詢、懸架配置查詢、轉向標定、懸架標定等之間進行切換，開關量監控界面為各分系統控制器開關狀態顯示界面，模擬量狀態監控界面為各分系統控制器模擬量數據顯示界面，配置查詢界面對各分系統控制器控制參數、流程參數等進行配置查詢；

③時間顯示部分：該部分顯示系統當前工作的日期、時間，時間由運行的硬件設備獲??；

④操作記錄顯示部分： 該部分用于對CAN 連接/斷開，配置指令發送/回令接收，控制指令發送等操作進行顯示，顯示發生的時間及操作的結果。

5 監控系統的實施效果

由于應用要求監控系統整體運行要達到一定時間的持續正常運行，加上總調現場環境較為惡劣，所以要求監控軟件能夠達到數據持續正確的實時顯示。在特種車底盤控制系統總調過程中，監控系統與控制系統進行聯合調試及測試，調試現場如圖4 所示。調試過程中通過監控系統對控制系統各控制器的開關量狀態、模擬量數據進行監控，對控制器的輸出端口進行單設備調試，對轉向主控、通用、懸架等控制器參數進行配置查詢，并對轉向控制系統和懸架控制系統的傳感器參數進行標定，監控系統各項功能工作正常。經過聯合調試及測試，監控系統滿足了控制系統監控的需求，過程運行穩定，同時完成了大量數據的監測和控制指令的發送，能夠長時間完成監控工作。

圖4 監控系統與控制系統聯調

6 結束語

本文從特種車底盤控制系統的實際功能和性能需求出發，完成了基于LabVIEW 的特種車底盤監控系統的設計，系統已交付用戶使用。該監控系統實現了對控制系統總線上各控制器狀態數據的接收與顯示功能、控制指令的發送、控制參數和流程參數的配置及查詢、傳感器參數的在線標定等功能。通過與特種車底盤控制系統進行聯合調試，驗證了該監控系統和監控軟件各項功能的正確性。監控系統的使用，使特種車底盤控制系統的總裝調試更方便，對于批量生產的特種車，能夠極大地提升效率，節約研制成本；并在售后維修過程中能夠提升故障定位速度，提高維修效率。