O 引 言
车辆的质心和质心位置等参数对车辆的一些性能指标有一定影响，例如车辆的操控性、稳定性、机动性、制动性等，精确地测量车辆质心位置是必要的，而现有车辆质心测量法难以实现多轴车辆的质心位置测量，因此提出在倾翻台上应用轮荷测量仪来测量多轴车辆的质心，本文根据多通道轮荷测量仪使用工况的特点，设计了一套与其相应的数据采集系统，可以实现对多通道数据实时采集与处理、对测量结果的后续处理和对系统工作环境温度的监测等功能.该数据系统由下位机硬件与上位机软件两部分组成.下位机硬件负责对信号调理、数据采集与处理、数采显示及温度监控等.通过现场总线将数据传送给上位机，上位机可以实现多通道数据的切换采集、数据的实时显示与存储及系统工作环境温度的监测与报警等功能.本文主要介绍了轮荷测量仪的工作原理和下位机硬件的设计.
1 轮荷测量仪的工作原理
该轮荷测量仪是一种多通道一体式轮荷称重仪，多套轮荷称重仪安装在倾翻台面上，通过调整称重仪相互之间的间距，来满足不同车型的测量要求.轮荷称重仪的主要功能是获取车轮对倾翻台面的径向压力，首先实现从轮荷称重仪局部应变再到电信号的转换，继而利用数据采集系统对该电信号进行采集与处理.
1.1 轮荷测量仪的结构模型
轮荷称重仪的结构模型如图1所示，轮荷测量仪是基于电阻应变式称重传感器而设计的一个板桥型秤体，在合金板底部靠近支撑的区域加工4个等距等宽等深的矩形槽，在矩形槽内黏贴应变片，用来检测轮荷测量仪在受力时所发生的形变.
轮荷称重仪是一个在长度、宽度及各个横截面方向上规则的弹性结构体，根据材料力学变形固体的连续性、均匀性、各向同性假设，称重仪可以看做由n条平行排列的弯曲梁组成.分析其中一条梁的力学性能，其受力分析如图2所示，
当等效梁只受到法向力F、的作用时，在1、2、3、4位置处的弯矩分别为：
令1、2、3、4位置处矩形槽内表面的应变分别为 ，则有
式中：yi为矩形槽内表面到中性轴的距离；E为称重仪材料的弹性模量； 为矩形槽内表面对中性轴的惯性矩.
由于每个矩形槽的尺寸都一致，所以每个矩形槽内表面到中性轴的距离都相等，每个矩形槽内表面对中性轴的惯性矩也相等，即
1.2 轮荷称重仪的组桥方式
在称重仪的4个等宽等深的矩形槽表面等间距粘贴应变片，每4个应变片在长度方向相连接构成一组全桥电路，一共粘贴9组，这样称重仪将会有9组桥路的传感器信号输出，具体的贴片组桥方式如图3所示，
应用支路电流法，算得每组桥路的输出电压为：
将式（1）～（5）代人式（9）得到称重仪上每组桥路输出电压为：
假设称重仪上的载荷为Fo，称重仪桥路输出电压就是9组桥路输出电压之和，用公式表示为：
式中： 为称重仪电桥输出的电压之和； 为每组电桥的供电电压；Ko为应变片的灵敏系数；Yi为应变片粘贴表面到中性轴的距离；L2为同侧矩形槽间距； 为某个等效梁上的总载荷分量；E为称重仪材料的弹性模量；，，为应变片所在截面对中性轴的惯性矩；Fo为称重仪上加载载荷.
2 数据采集系统的总体设计
该数据系统的设计包括下位机，RS - 232串口通信和上位机，下位机是以单片机作为整个数据采集系统的硬件控制核心，通过它的逻辑控制完成对数据的采集与处，主要有通道选择模块、信号放大模块、信号滤波模块、模数转换模块、MCU模块，通过RS-232总线将数据传送给上位机，上位机可对数据进一步的处理与存储，应用LabVIEW软件开发上位机交互界面，主要有用户登录模块、单/多通道采集模块和温度监测模块，轮荷仪数据采集系统的总体结构如图4所示.
2.1 数据采集系统的硬件设计
硬件设计也就是下位机，它是整个轮荷称重仪数据采集系统的重要部分，要完成多路传感器信号的采集、输出数字量测量结果，硬件设计需要完成电源模块、多通道控制选通、信号调理、A/D模数转换、数字显示、温度监测及通信接口模块等工作.通过选择合适的电子元件，完成整体电路原理图设计及PCB设计，通过电路板焊接与调试，最终完成多通道数据采集系统硬件电路的设计，硬件实物图如图5所示.
2.1.1多通道选择控制电路设计
轮荷称重仪具有9个通道的输出信号，每个单通道的信号都需要被采集，针对本系统传感器信号的特点采用多路模拟开关，实现每个通道的分时选通.被测信号是差分双路信号，使得单路模拟开关不适用，本系统最终选择3个多路模拟开关CD4052.具体应用电路如图6所示，通过单片机的1/0端口操控CD4052的工作状态，完成对于多通道信号的切换控制.
图6模拟开关CD4052电路原理图
2.1.2
A/D转计换器
在轮荷仪测量系统中，需要把采集来的模拟信号转换成MCU能识别的数字信号，那么A/D转换器是必不可少的，综合考虑系统对ADC的转换精确度、采样速率、线性度及接口特性等方面的需求，本文选择了性价比较高的TM7709模数转换芯片，其应用电路原理图如图7所示
2.1.3 逻辑控制元件
逻辑控制元件MCU是整个硬件电路的核心单元，通过单片机的控制来完成各个功能模块之间有效地运行，以及对数据的实采集和传输.本系统选用了STC90C516RD+型号单片机作为控制器件.通过C语言编写的程序指令，实现了通道选择、数据获取、实时显示及通信接口控制等功能，高效、有序地完成了系统的逻辑控制.
2.1.4 数据显示电路设计
本系统可以在硬件电路上直接显示数据测量结果，根据显示功能设计的要求，采用两个四位一体的八段数码管，并选用TM1638芯片来驱动控制这两个数码管.单片机通过3个I/O口对TM1638进行读写控制操作，实现彼此间的串行数据通信，以显示测量结果.数据显示电路原理图如图8所示.
2.1.5 串口通信接口电路设计
通信接口电路是实现下位机与上位机之间相互通信的桥梁.在串行通信中，下位机和上位机需选择相同的接口标准，才能进行正常的相互通信.在本系统的设计中，因计算机上的串口是RS - 232负逻辑电平，所以选择MAXIM公司的MAX232换芯来设计电平转换电路.串口通信的实现电路原理图如图9所示.
2.1.6 温度监测与报警电路设计
由于硬件电路中的芯片都有各自的温度工作范围，工作环境温度会对系统的测量精度与稳定性产生影响，严重时可能导致系统工作失灵，所以对下位机硬件的]二作环境进行温度监测.采用DS18820与有源蜂鸣器组建了温度监测与报警电路，一旦工作环境温度超出设定的范围，蜂鸣器会自动呜叫发出警告，温度监测与报警电路设计如图10所示
2.2 上位机软件的开发
轮荷称重仪数据采集系统的下位机也就是硬件部分，只是对数据进行了数据处理，有一定的局限性.为了将采集到的数据进行进一步地运算处理与存储，开发上位机软件设计是必不可少的一部分.采用虚拟仪器软件LabVIEW来编写上位机界面，通过RS-232串口计算机可以与下位机之间进行数据传输.上位机对数据进行提取与采集控制，实现数据存储、波形实时显示及数据管理等功能.根据数采系统的功能要求，用上位机软件设计了单通道采集、多通道采集、数据管理及温度监测4个控制界面，多通道采集界面如图11所示.
3 结 论
本文设计了一套适用于多通道轮荷测量仪的数据采集系统.在设计过程中，运用了信号采集理论、数据通信技术、C语言驱动程序开发、电路抗干扰技术及虚拟仪器等技术，完成了系统的下位机和上位机的开发工作.该系统可以实时地进行数据采集与处理，还可以对采集到的数据进行后续处理，并且还可对工作温度进行监测.这样一套多通道轮荷称重数采系统兼具成本低、性能稳定、可操作性强等优点，对实现车辆轮荷高精度测量具有一定的现实意义及应用前景.
