根據輪荷稱(chēng)重儀的工作原理和應變片組橋方式,設計一套輪荷稱(chēng)重儀數據采集系統.數據采集系統由下位機硬件與上位機軟件組成,硬件部分是通過(guò)選擇合適的電子器件和合理的設計電路原理圖及PCB設計;軟件采用Lab VIEW編程技術(shù).輪荷稱(chēng)重儀獲取車(chē)輪對傾翻臺面的徑向壓力,傾翻臺下面的應變片由于力的作用產(chǎn)生應變,下位機獲取數據信號,通過(guò)串口通信模塊,下位機與上位機數據采集系統進(jìn)行指令和數據的傳輸,將采集到的信號進(jìn)行處理,由上位機面板把信息傳達給用戶(hù).此系統具有數據采集與處理、數據實(shí)時(shí)顯示與存儲、數據后期處理和工作溫度進(jìn)行監測等功能. 

0.引 言 
車(chē)輛的質(zhì)心和質(zhì)心位置等參數對車(chē)輛的一些性能指標有一定影響，例如車(chē)輛的操控性、穩定性、機動(dòng)性、制動(dòng)性等，精確地測量車(chē)輛質(zhì)心位置是必要的，而現有車(chē)輛質(zhì)心測量法難以實(shí)現多軸車(chē)輛的質(zhì)心位置測量，因此提出在傾翻臺上應用輪荷測量?jì)x來(lái)測量多軸車(chē)輛的質(zhì)心，本文根據多通道輪荷測量?jì)x使用工況的特點(diǎn)，設計了一套與其相應的數據采集系統，可以實(shí)現對多通道數據實(shí)時(shí)采集與處理、對測量結果的后續處理和對系統工作環(huán)境溫度的監測等功能.該數據系統由下位機硬件與上位機軟件兩部分組成.下位機硬件負責對信號調理、數據采集與處理、數采顯示及溫度監控等.通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將數據傳送給上位機，上位機可以實(shí)現多通道數據的切換采集、數據的實(shí)時(shí)顯示與存儲及系統工作環(huán)境溫度的監測與報警等功能.本文主要介紹了輪荷測量?jì)x的工作原理和下位機硬件的設計. 
1 輪荷測量?jì)x的工作原理 
該輪荷測量?jì)x是一種多通道一體式輪荷稱(chēng)重儀，多套輪荷稱(chēng)重儀安裝在傾翻臺面上，通過(guò)調整稱(chēng)重儀相互之間的間距，來(lái)滿(mǎn)足不同車(chē)型的測量要求.輪荷稱(chēng)重儀的主要功能是獲取車(chē)輪對傾翻臺面的徑向壓力，首先實(shí)現從輪荷稱(chēng)重儀局部應變再到電信號的轉換，繼而利用數據采集系統對該電信號進(jìn)行采集與處理. 
1.1 輪荷測量?jì)x的結構模型 
輪荷稱(chēng)重儀的結構模型如圖1所示，輪荷測量?jì)x是基于電阻應變式稱(chēng)重傳感器而設計的一個(gè)板橋型秤體，在合金板底部靠近支撐的區域加工4個(gè)等距等寬等深的矩形槽，在矩形槽內黏貼應變片，用來(lái)檢測輪荷測量?jì)x在受力時(shí)所發(fā)生的形變. 

輪荷稱(chēng)重儀是一個(gè)在長(cháng)度、寬度及各個(gè)橫截面方向上規則的彈性結構體，根據材料力學(xué)變形固體的連續性、均勻性、各向同性假設，稱(chēng)重儀可以看做由n條平行排列的彎曲梁組成.分析其中一條梁的力學(xué)性能，其受力分析如圖2所示， 
　　當等效梁只受到法向力F、的作用時(shí)，在1、2、3、4位置處的彎矩分別為： 

　　1.2 輪荷稱(chēng)重儀的組橋方式 
　　在稱(chēng)重儀的4個(gè)等寬等深的矩形槽表面等間距粘貼應變片，每4個(gè)應變片在長(cháng)度方向相連接構成一組全橋電路，一共粘貼9組，這樣稱(chēng)重儀將會(huì )有9組橋路的傳感器信號輸出，具體的貼片組橋方式如圖3所示， 

應用支路電流法，算得每組橋路的輸出電壓為： 

將式（1）～（5）代人式（9）得到稱(chēng)重儀上每組橋路輸出電壓為： 
　　假設稱(chēng)重儀上的載荷為Fo，稱(chēng)重儀橋路輸出電壓就是9組橋路輸出電壓之和，用公式表示為： 
　　式中： 為稱(chēng)重儀電橋輸出的電壓之和； 為每組電橋的供電電壓；Ko為應變片的靈敏系數；Yi為應變片粘貼表面到中性軸的距離；L2為同側矩形槽間距； 為某個(gè)等效梁上的總載荷分量；E為稱(chēng)重儀材料的彈性模量；，，為應變片所在截面對中性軸的慣性矩；Fo為稱(chēng)重儀上加載載荷. 
　　2.數據采集系統的總體設計 
　　該數據系統的設計包括下位機，RS - 232串口通信和上位機，下位機是以單片機作為整個(gè)數據采集系統的硬件控制核心，通過(guò)它的邏輯控制完成對數據的采集與處，主要有通道選擇模塊、信號放大模塊、信號濾波模塊、模數轉換模塊、MCU模塊，通過(guò)RS-232總線(xiàn)將數據傳送給上位機，上位機可對數據進(jìn)一步的處理與存儲，應用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)上位機交互界面，主要有用戶(hù)登錄模塊、單/多通道采集模塊和溫度監測模塊，輪荷儀數據采集系統的總體結構如圖4所示.

 
　　2.1 數據采集系統的硬件設計 
　　硬件設計也就是下位機，它是整個(gè)輪荷稱(chēng)重儀數據采集系統的重要部分，要完成多路傳感器信號的采集、輸出數字量測量結果，硬件設計需要完成電源模塊、多通道控制選通、信號調理、A/D模數轉換、數字顯示、溫度監測及通信接口模塊等工作.通過(guò)選擇合適的電子元件，完成整體電路原理圖設計及PCB設計，通過(guò)電路板焊接與調試，最終完成多通道數據采集系統硬件電路的設計，硬件實(shí)物圖如圖5所示. 

2.1.1多通道選擇控制電路設計 
　　輪荷稱(chēng)重儀具有9個(gè)通道的輸出信號，每個(gè)單通道的信號都需要被采集，針對本系統傳感器信號的特點(diǎn)采用多路模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現每個(gè)通道的分時(shí)選通.被測信號是差分雙路信號，使得單路模擬開(kāi)關(guān)不適用，本系統最終選擇3個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052.具體應用電路如圖6所示，通過(guò)單片機的1/0端口操控CD4052的工作狀態(tài)，完成對于多通道信號的切換控制. 
　　圖6模擬開(kāi)關(guān)CD4052電路原理圖 

2.1.2 
　　A/D轉計換器

　　在輪荷儀測量系統中，需要把采集來(lái)的模擬信號轉換成MCU能識別的數字信號，那么A/D轉換器是必不可少的，綜合考慮系統對ADC的轉換精確度、采樣速率、線(xiàn)性度及接口特性等方面的需求，本文選擇了性?xún)r(jià)比較高的TM7709模數轉換芯片，其應用電路原理圖如圖7所示 

　　2.1.3 邏輯控制元件 
　　邏輯控制元件MCU是整個(gè)硬件電路的核心單元，通過(guò)單片機的控制來(lái)完成各個(gè)功能模塊之間有效地運行，以及對數據的實(shí)采集和傳輸.本系統選用了STC90C516RD+型號單片機作為控制器件.通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序指令，實(shí)現了通道選擇、數據獲取、實(shí)時(shí)顯示及通信接口控制等功能，高效、有序地完成了系統的邏輯控制. 
　　2.1.4 數據顯示電路設計 
　　本系統可以在硬件電路上直接顯示數據測量結果，根據顯示功能設計的要求，采用兩個(gè)四位一體的八段數碼管，并選用TM1638芯片來(lái)驅動(dòng)控制這兩個(gè)數碼管.單片機通過(guò)3個(gè)I/O口對TM1638進(jìn)行讀寫(xiě)控制操作，實(shí)現彼此間的串行數據通信，以顯示測量結果.數據顯示電路原理圖如圖8所示. 

2.1.5 串口通信接口電路設計 
　　通信接口電路是實(shí)現下位機與上位機之間相互通信的橋梁.在串行通信中，下位機和上位機需選擇相同的接口標準，才能進(jìn)行正常的相互通信.在本系統的設計中，因計算機上的串口是RS - 232負邏輯電平，所以選擇MAXIM公司的MAX232換芯來(lái)設計電平轉換電路.串口通信的實(shí)現電路原理圖如圖9所示. 
　　2.1.6 溫度監測與報警電路設計 
　　由于硬件電路中的芯片都有各自的溫度工作范圍，工作環(huán)境溫度會(huì )對系統的測量精度與穩定性產(chǎn)生影響，嚴重時(shí)可能導致系統工作失靈，所以對下位機硬件的]二作環(huán)境進(jìn)行溫度監測.采用DS18820與有源蜂鳴器組建了溫度監測與報警電路，一旦工作環(huán)境溫度超出設定的范圍，蜂鳴器會(huì )自動(dòng)嗚叫發(fā)出警告，溫度監測與報警電路設計如圖10所示 

2.2 上位機軟件的開(kāi)發(fā) 
　　輪荷稱(chēng)重儀數據采集系統的下位機也就是硬件部分，只是對數據進(jìn)行了數據處理，有一定的局限性.為了將采集到的數據進(jìn)行進(jìn)一步地運算處理與存儲，開(kāi)發(fā)上位機軟件設計是必不可少的一部分.采用虛擬儀器軟件LabVIEW來(lái)編寫(xiě)上位機界面，通過(guò)RS-232串口計算機可以與下位機之間進(jìn)行數據傳輸.上位機對數據進(jìn)行提取與采集控制，實(shí)現數據存儲、波形實(shí)時(shí)顯示及數據管理等功能.根據數采系統的功能要求，用上位機軟件設計了單通道采集、多通道采集、數據管理及溫度監測4個(gè)控制界面，多通道采集界面如圖11所示. 

3.結 論 
　　本文設計了一套適用于多通道輪荷測量?jì)x的數據采集系統.在設計過(guò)程中，運用了信號采集理論、數據通信技術(shù)、C語(yǔ)言驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、電路抗干擾技術(shù)及虛擬儀器等技術(shù)，完成了系統的下位機和上位機的開(kāi)發(fā)工作.該系統可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行數據采集與處理，還可以對采集到的數據進(jìn)行后續處理，并且還可對工作溫度進(jìn)行監測.這樣一套多通道輪荷稱(chēng)重數采系統兼具成本低、性能穩定、可操作性強等優(yōu)點(diǎn)，對實(shí)現車(chē)輛輪荷高精度測量具有一定的現實(shí)意義及應用前景.