摘要：针对拖拉机牵引性能测试系统中，被试车与负荷车之间有线连接繁杂、工作可靠性低及机动性差的问题，采用无线通信技术开发了两车多机通信功能，增强了试验车辆机动性。对自制的数据采集器进行了模拟量通道检测，牵引力通道信号最大误差为3mV，系统线性度为0.06%。静态试验结果表明：在良好通信条件下，系统能够进行准确稳定的数据传输，最大有效传输距离为520m。
动态试验结果表明：在两车相距15m范围内，性能测试系统能够实时进行数据采集、交换及管理。被试拖拉机在无线通信与有线通信测试条件下，试验性能参数最大相对误差为0.98%，此误差在传感器精度范围内。静动态对比试验结果表明：牵引性能测试系统的振动对无线通信系统的稳定性有一定影响，动态试验数据接收率为97.36%，能够满足系统稳定性要求。
关键词：无线通信技术,拖拉机,牵引性能测试,通信协议,负荷车
牵引特性试验是拖拉机的重要性能及其最终评价依据。牵引性能测试系统能够对试验牵引特性进行精确测量[1]，测试系统包括被试车子系统和负荷车子系统。
21世纪前，美国内布拉斯加拖拉机实验室、英国农业工程研究所、日本农业机械化研究所、中国农业机械化科学研究院、中国洛阳拖拉机研究所及美国迪尔公司等国内外少数拖拉机试验站和生产企业，对牵引性能测试系统进行了研发，但由于传感器技术和测试技术相对落后，负荷车与被试车之间均采用有线连接[2]。
进入21世纪，对牵引性能测试系统的研究主要集中在负荷车功率的提升、吸功装置与负荷车动力的匹配、先进控制算法在负荷车加载系统中的应用、负荷车传动系统布置及负荷车多功能性的开发方面[3-4]。厦门市产品质量监督检验院研发的300kN负荷车，在负荷车与被试车之间仍沿用有线连接[5]。
中国汽车工程研究院股份有限公司和国家拖拉机质量监督检验中心对负荷车的性能进行了升级，但对负荷车与被试车之间信息传输方式的研究未见报道[6-7]。有线传输虽然在数据传输速率、数据传输可靠性、安全性及成本方面具有一定的优势[8]，但被试车与负荷车之间繁杂的有线连接，降低了测试系统机动性，阻碍了系统功能扩展。布线质量也会对系统工作可靠性产生较大影响。无线通信技术的优势在于系统布线简单，设备机动性强，可扩展性好[9-11]，很大程度上可改善拖拉机牵引性能测试系统的现状。
因此，本文将无线通信技术应用到拖拉机牵引性能测试系统中，实现信号采集与数据短距离无线传输，利用嵌入式技术开发试验监测终端，使系统集成简单，测量精准，对测试条件的变化适应性增强。
1无线通信方案设计
拖拉机牵引性能测试系统中负荷车与被试车最大间距为15m，系统采样频率为10Hz。试验环境为空旷试验场，无线节点覆盖整个测试系统，包括监视器、加载控制器及数据采集器，因此，该系统属于短距离低频率两车多机通信。
被试车为低速牵引类工程车辆，负荷车由某型号拖拉机改装而成。基于ModBus网络构架，上位机、数据采集器、监视器及加载控制器间采用主机广播半双工通信方式进行无线数据传输，可以支持247个远程从机，且具有良好的扩展性[12-14]。
该无线网络通信距离短，数据传输速率较低，因此，发射模块采用高斯频移键控(Gaussfrequencyshiftkeying，GFSK)调制方式，具有良好的抗噪抗衰性。主、从机电源为车载电源和逆变电源，能量充足，因此，发射模块的发射功率能够确保信号准确传输。
1.1被试车子系统
拖拉机试验牵引特性指被试车在一定路面条件下稳定工作时，滑转率、车速、牵引功率、油耗量和牵引效率随牵引力的变化规律。因此，被试车子系统主要对被试车进行参数测量，包括发动机转速、发动机油耗、理论车速、实际车速及牵引力。数据采集器将各传感器信号采集并发送至上位机，监视器Ⅰ接收上位机指令，显示试验状态、测试挡位及操作命令，便于被试车驾驶员做出相应的操作。
有1个模拟信号通道和5个数字信号通道。牵引力通道内置信号调理放大电路，通过12位模数(analog?to?digital，AD)转换器转换为数字信号，测量误差小于0.1%，采样频率不小于30kHz。车速通道外接全球定位系统(globalpositionsystem，GPS)车速传感器，测速周期小于0.5s，误差小于0.1%，每脉冲4mm标定，连续测量距离不小于67km。
发动机转速通道外接晶体管?晶体逻辑(transistor?transistorlogic，TTL)电平，测速周期小于0.5s，误差小于0.1%。左?右驱动轮转数通道与油耗通道均外接TTL电平，具备加减计数和防抖动功能，连续正向计数不小于1.6×107个脉冲，不会发生溢出。
1.2负荷车子系统
负荷车子系统提供被试车需要的牵引载荷，通过动力输出轴加装电涡流缓速器实现可控加载。负荷车加装设备有逆变器、直流稳压电源、电涡流缓速器及其控制装置等。上位机是整个测试系统的数据处理、显示、记录中心，负责将数据和操作命令发送至监视器和加载控制器，并接收数据采集器发送的实时测量数据。直流稳压电源由变压器、滤波器、整流电路和稳压电路组成，接收加载控制器的控制信号，调节电涡流缓速器的输入电压，改变电涡流缓速器的加载转矩。逆变器为直流稳压电源、上位机及显示器等设备供电。监视器Ⅱ通过无线通信模块接收上位机数据，便于驾驶员对负荷车做出相应的操作。
2多机无线通信硬件设计
上位机为笔记本电脑，由两个无线通信模块组成网关发送和接收数据，上位机与网关通过串口连接。监视器及加载控制器采用工业级显示器，配置WindowsCE操作系统，通过RS232串口与无线通信模块连接。数据采集器通过串口与外置无线通信模块连接。
发动机油耗仪在小流量的情况下会出现抖动现象，造成计数不准或计数器溢出，因此，设计了加/减计数器，可实现准确计数，提高了测量精度。采用嵌入式技术对监视器及加载控制器外围电路进行了设计，保证其稳定工作。为检验数据采集器各采集通道数据传输的稳定性、准确性及采集精度，对各通道进行了计量。以牵引力采集通道为计量通道，对模拟量转换精度进行了检验。
选取0～5V为测量量程，在量程内设定20个测量点，数据采集器将预设电压值无线发送至上位机，上位机将数据发送至监视器Ⅱ。牵引力采集通道检测最大误差为3mV，系统线性度最大误差与量程的比值为0.06%。
3无线通信协议制定及软件开发
基于RS232串行通信方式，制定了上位机与监视器Ⅰ、监视器Ⅱ和监视器Ⅲ之间的数据传输协议。上、下位机采用主从结构和点对点通信模式，上位机采用查询方式、下位机采用中断方式接收数据。
①上位机发送交握信号(0xAA)，等待应答码。
②下位机收到交握信号后，若信号正确，则发送0xAA作为应答，并等待接收数据包;否则，发送0xEE作为应答，等待接收下一循环交握信号。
③上位机收到应答码后，若交握成功，则发送38字节的数据包，等待接收应答码;若交握失败，则重新联络，当连续10次交握失败，输出提示信息，通信结束。
④下位机收到数据包后，如果数据校验正确，则返回应答码0xBB;若数据校验有误，则返回应答码0xEE，通信结束。
⑤上位机收到应答码后进行判断，若数据传送成功，则本次通信结束;若通信不正确，则重新交握。基于定制的无线通信协议，以VS2005软件为开发工具，在VB.NET编程环境下利用SerialPort控件实现了多机无线通信功能。开发了测试系统上位机数据采集软件，对试验进程进行实时监测。
上位机每100ms发送一次数据包，数据包包括广播地址、功能码、操作码、32byte数据及循环冗余校验(cyclicredundancycheck，CRC)2byte。该软件除实时监测试验进程外，还可完成系统设置、传感器设置、牵引特性图坐标设置、牵引力标定、牵引特性曲线监督及通信参数设置等任务。其中，通信参数设置功能选项对数据采集器和各监视器无线通信参数进行设置，上位机选取通信端口进行无线通信网络匹配。
4无线通信性能试验与分析
为了检验拖拉机牵引性能测试系统中无线通信功能在道路试验中的实用性与可靠性，进行了无线通信性能静态试验、动态试验和静动态对比试验。
4.1静态试验
在空旷地带对开发的无线通信设备进行静态试验。无线通信模块工作频率设置为433MHz，接收灵敏度为-124dBm，发射功率为28dBm，参数设置信道为16，串口波特率为9600bit/s，空中波特率为9600bit/s。
多名测试人员手持上位机与各下位机，设备离地高度为1.5m，测试距离由近渐远，上位机每隔1s发送1次数据，直至下位机接收数据出现错误时试验结束。试验结果表明：在520m最大有效接收范围内，各下位机均能准确稳定接收到上位机发送的数据。
4.2动态试验
将开发的无线通信设备嵌入拖拉机牵引性能测试系统，无线通信模块参数设置保持不变，根据标准GB/T3871.9—93对农业拖拉机牵引试验的要求，进行动态牵引试验。试验路面为混凝土路面，气温为20℃，气压为100.1kPa，湿度为45%，牵引点高度580mm，前、后轮轮胎气压均为100kPa，拖拉机带配重。
对主要工作挡位低Ⅱ挡、低Ⅲ挡、低Ⅳ挡进行最大牵引功率试验，每次加载试验稳定时间大于30s(即保证稳定距离大于25m)，先进行空载荷试验，随后多次逐级加载，加载级数不少于12级，直至拖拉机滑转率达到允许滑转率为止。由数据处理软件根据试验数据绘制被试车试验牵引特性图。
分别对被试车低Ⅲ挡时无线通信和有线通信测试得到的速度v、滑转率δ、发动机转速ne、牵引功率PT、燃油耗GT、燃油消耗率gT及牵引力F取平均值，得到表3所示的测量值对比结果。测试系统采用无线通信与有线通信得到的试验数据平均值最大误差出现在燃油耗，最大相对误差值为0.98%，此误差由发动机油耗仪精度(0.5%)造成，与测试系统数据通信方式无关。通过对比分析说明：测试系统无线通信功能正常，数据交换和管理稳定，没有数据损坏或丢失现象发生，测试效率明显提升。
4.3静动态对比试验
在动态测试中，负荷车与被试车均存在随机振动，振动会改变无线模块天线的指向，从而对无线通信的稳定性产生影响[15]。为验证随机振动对无线通信稳定性的影响，利用无线模块设置与通信软件，设置了静动态对比试验。上位机无线通信模块发送峰值为2.0V、频率为1Hz的正弦波，下位机无线通信模块接收，以接收率评价无线通信的稳定性(接收率定义为下位机接收到的数据与上位机发送数据的比值)。
静态试验中，上位机无线通信模块与下位机无线通信模块间距为15m，即负荷车与被试车最大间距为15m。静态试验数据接收率为100%，动态试验数据接收率为97.36%，说明在动态测试中负荷车与被试车的振动对无线通信的稳定性有一定影响，但接收率均在95%以上，能够满足通信稳定性的要求。在拖拉机牵引特性试验中，应尽量减少负荷车与被试车的振动，以提高通信系统稳定性。
5结论
将拖拉机测试技术与无线通信技术相结合，开发了拖拉机牵引性能测试系统上位机测试软件、下位机数据采集器及监视器无线通信功能。采用无线技术进行两车多机通信，改善了系统物理连接，增强了试验车辆机动性。静态试验与动态试验结果验证了无线通信性能良好，在设定条件下，数据最大有效接收距离可达520m，动态试验数据接收率为97.36%。由于无线通信网络具有良好的稳定性和扩展性，因此，为进一步研究虚拟仪表技术在拖拉机牵引特性测试系统中的应用奠定了基础。
参考文献：
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[4]王天颖，项昌乐，李明喜，等.负荷车试验系统的模糊自适应PID控制[J].哈尔滨工业大学学报，2007(6)：997-1000.
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推荐期刊：《工程机械》主管单位：天津工程机械研究院，主办单位：天津工程机械研究院，国内统一刊号：12-1328/TH，国际标准刊号：1000-1212，所设栏目：微机应用与智能化、产品结构、试验研究、设计计算、专题综述、液压液力、工艺材料、使用维修。
