基于LabVIEW 的特种车底盘监控系统设计

刘培文，李菁，孙明鸣

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

本文中特种车指多轴特种车，主要由动力系统、驱动系统、行驶系统、制动系统、转向系统、悬架系统、电气系统、控制系统等组成，实现公路机动、越野机动等功能。其中，控制系统作为特种车底盘的重要组成部分，主要由传感器、控制器、显控设备、数据存储设备、控制电缆、总线通讯电缆、软件等组成，通过采集传感器信号、辨识控制输入、运行控制策略、控制机构动作，实现悬架调高、电液转向、一键取力、行驶档位控制、自动散热等功能，显控设备实现特种车底盘状态显示、指令下发等人机交互功能，数据存储设备实现特种车底盘工作过程全部工作数据的存储记录功能。

在特种车底盘研制过程总调阶段和售后的维修阶段，需要对控制系统总线上各节点控制器的状态进行实时监控和记录，并能够向控制系统各节点控制器发送指令，控制各执行机构动作完成调试工作。本文在控制系统现有基础上设计了一套监控系统，基于LabVIEW 开发环境设计了一款监控软件，用于实时显示和记录各设备的状态并能够向各节点控制器发送指令完成系统调试工作。

1 监控系统的设计目标

（1）在不改变现有控制系统的基础上，通过共用现有系统调试接口实现控制系统与监控系统的连接；

（2）监控系统轻巧，便于携带使用；

（3）根据工程经验，可以对调试过程中的电磁阀、比例阀、开关量信号等的工作状态进行监控；

（4）可对模拟量信号等实现数据曲线可视化；

（5）能够对各控制器配置流程参数、控制参数等，并具备参数一键查询功能；

（6）整个软件在功能设计完成后需要实现界面化，并能够以安装包的形式在任何计算机的环境下进行安装使用。

2 监控系统实现方案

特种车底盘控制系统网络架构按照系统实现的功能，设计为两个总线网段，分别为行驶控制CAN 总线网段、动力及驱动控制CAN 总线网段。

监控系统主要由笔记本电脑、CAN 卡、工装电缆、监控软件等组成，监控软件运行于笔记本电脑；监控系统通过工装电缆与各网段上的调试接口相连，通过CAN 卡实时在各总线上收发数据，实现对各控制器节点的状态监控，如图1 所示。

图1 控制系统网络架构及监控系统实现方案

控制系统总线采用CAN 总线通信，帧格式为CAN2.0B扩展帧，通信波特率为250Kbps，数据的发送周期、报文格式满足SAE J1939 协议要求。帧结构格式如图2 所示，其中29 位ID 标识符定义见表1。

表1 标识符ID定义

图2 J1939 扩展帧结构

3 监控软件设计

■3.1 编译软件的选择

结合监控系统的设计目标，需要选择一款能够快速、高效的程序编译软件进行监控系统的设计。作为实验室著名的虚拟仪器开发平台，LabVIEW 软件在信号发生、分析、处理及显示上具有非常明显的优势，并且该软件采用图形模式的结构框图构建程序代码，在程序编写时基本不需要进行程序代码的编写，只需通过各模块图标和连线的组合实现流程功能。故文中的系统开发研究采用LabVIEW作为开发软件[1]。

■3.2 软件具体实现

监控软件与网络上各节点进行实时通信，接收各节点控制器发送的状态参数，进行显示和记录；向各节点控制器发送数据命令，控制输出端口输出进而控制电磁阀、比例阀等负载动作。

（1）数据接收模块

数据接收主要是通过CAN 卡接收各总线上的数据，总线上的数据最小发送周期为50ms，为保证对每一帧数据的有效接收和解析，接收数据循环每25ms 执行一次。每次执行时查询接收缓冲区的数据，非空时将数据全部取出。

（2）数据处理与显示模块

数据处理与显示模块主要是接收到控制系统总线上各控制器的通信数据后，以指示灯、数据、曲线图等方式进行实时显示。

指示灯显示：通过主程序的前面板，把指示灯控件放置好位置后，将开关量信号数据连接到控件输入端，实现状态变化显示。

数据显示：通过主程序的前面板，把数值显示控件和字符串显示控件放置好位置后，把读取出来的数据通过数据流连接到显示控件的输入端，可为用户提供良好的可视化界面显示。

曲线图显示：利用Waveform Chart 图形显示控件，可将新接收的数据添加到曲线的尾端，实现数据的实时曲线显示。

（3）数据存储模块

由于监控系统数据包含总线上的开关量信号、模拟量信号、各控制器状态数据和控制指令数据等，数据量较大，要求数据库可靠安全。采用SQL Sever 作为测试数据库，建立数据源，与数据库建立连接。

为了方便监控数据的后续处理，采用LabSQL 进行数据库编程对数据进行保存，数据文件在保存的过程中，会遵循“不断接收，存满更换”的原则进行数据存储，当存储的数据大于设定大小时，便会生成新的存储文件[2～3]。

（4）时间显示模块

为便于用户使用，设计日期时间显示，在控件选板中选择“时间标识输入控件”，设置为当前时间[4]。实现时间日期的显示功能。

（5）操作记录显示模块

使用字符串文本框显示前面板操作过程出现的报警提示信息，便于用户回看历史报警信息[5]。

4 监控软件前面板设计

根据监控系统的功能需求，将监控软件前面板显示分为如下四个部分，示意图如图3 所示。

图3 监控软件前面板示意图

①软件名称显示部分：该部分显示软件名称；

②功能切换部分：该部分完成对选项卡的切换，从项目管理、开关量状态监控、模拟量状态监控、单设备调试、主控配置查询、通用配置查询、悬架配置查询、转向标定、悬架标定等之间进行切换，开关量监控界面为各分系统控制器开关状态显示界面，模拟量状态监控界面为各分系统控制器模拟量数据显示界面，配置查询界面对各分系统控制器控制参数、流程参数等进行配置查询；

③时间显示部分：该部分显示系统当前工作的日期、时间，时间由运行的硬件设备获取；

④操作记录显示部分： 该部分用于对CAN 连接/断开，配置指令发送/回令接收，控制指令发送等操作进行显示，显示发生的时间及操作的结果。

5 监控系统的实施效果

由于应用要求监控系统整体运行要达到一定时间的持续正常运行，加上总调现场环境较为恶劣，所以要求监控软件能够达到数据持续正确的实时显示。在特种车底盘控制系统总调过程中，监控系统与控制系统进行联合调试及测试，调试现场如图4 所示。调试过程中通过监控系统对控制系统各控制器的开关量状态、模拟量数据进行监控，对控制器的输出端口进行单设备调试，对转向主控、通用、悬架等控制器参数进行配置查询，并对转向控制系统和悬架控制系统的传感器参数进行标定，监控系统各项功能工作正常。经过联合调试及测试，监控系统满足了控制系统监控的需求，过程运行稳定，同时完成了大量数据的监测和控制指令的发送，能够长时间完成监控工作。

图4 监控系统与控制系统联调

6 结束语

本文从特种车底盘控制系统的实际功能和性能需求出发，完成了基于LabVIEW 的特种车底盘监控系统的设计，系统已交付用户使用。该监控系统实现了对控制系统总线上各控制器状态数据的接收与显示功能、控制指令的发送、控制参数和流程参数的配置及查询、传感器参数的在线标定等功能。通过与特种车底盘控制系统进行联合调试，验证了该监控系统和监控软件各项功能的正确性。监控系统的使用，使特种车底盘控制系统的总装调试更方便，对于批量生产的特种车，能够极大地提升效率，节约研制成本；并在售后维修过程中能够提升故障定位速度，提高维修效率。