空气弹簧系统状态监测试验平台设计

李 凯，陈 磊

（1.包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030；2.北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古 包头 014030）

根据国家强制标准GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》规定，自2020 年5 月1 日开始生产的车辆，总质量12 t 以上的危险货物运输货车的后轴应装备空气悬架。空气悬架的应用使得车辆具有更好的行驶平顺性和道路友好性，还可以调节车身高度，提高车辆和零部件的使用寿命[1-3]。从结构上看，以空气弹簧（主要成分为橡胶）为核心的气动减振系统，是车辆承载和衰减振动的关键部件。由于磨损、老化、泄露等原因导致空气悬架系统故障[4]，必将导致严重后果。因此，为实现车辆的舒适和安全驾驶，对空气弹簧系统进行状态监测、故障检测与诊断非常有必要。

为了研究空气弹簧系统运行过程中，各参数对系统运行状态的影响，设计试验平台是一种有效的测试方法[5]。基于此，本文将设计用于空气弹簧系统状态监测的试验平台，该试验平台主要包括4 部分，分别是支撑系统、气动控制系统、数据采集系统和显示系统。这4 部分相互联系。其中，气动控制系统用于驱动支撑系统，完成高度调节和减振的功能。单片机作为主控MCU 将气动控制系统、数据采集系统和上位机显示系统建立通信联系，进行数据和控制信号的传递[6-7]。具体设计如下文所述。

1 试验平台硬件设计

1.1 总体方案

试验平台组成如图1 所示。空气弹簧支撑系统主要由上下底板和4 个空气弹簧组成（导向机构和其他结构件未画出）。空气弹簧系统高度的调节是通过气动回路电磁阀充气、放气和保压来实现。电磁阀的阀位状态是由STC32 单片机通过驱动电路控制调节。空气弹簧高度调节或者保持时，压力变送器和高度（位移）变送器将其当前采集的信号通过采集电路传输到STC32 单片机的ADC 模数转换通道，单片机将信号转换处理后通过串口发送到上位机PC 端，PC 端利用MATLAB 软件接收串口发送来的数据，用于显示和后续的分析与控制。试验平台中各部分的供电电源和气动控制回路的气源都未画出，各个部分的具体设计见后文所述。

图1 系统组成示意图

1.2 气动控制回路

试验平台气动控制回路如图2 所示（由于4 个空气弹簧的气动控制回路一致，因此图2 只绘制2 个空气弹簧的气动控制回路）。每个空气弹簧只有1 个与气路连通的接口，可将其等效理解为单作用气缸。为保证每个空气弹簧都能独立控制，实现充气、放气和保持3个功能。因此每个空气弹簧都分别配置了1 个二位二通电磁阀和1 个二位三通电磁阀，2 个电磁阀配合实现的功能见表1。压力变送器布置在空气弹簧的出口处，高度变送器布置在空气弹簧附近。为减小排气时的噪声，在二位三通电磁阀的排气口安装了消声器。气源的干燥空气由空气压缩机经过干燥器通过储气瓶再经过气动三联件供给电磁阀和空气弹簧使用。

表1 电磁阀状态表

图2 气动控制回路原理图

1.3 电磁阀驱动电路

根据图2 试验平台气动控制回路，可以看出，有4 个二位三通电磁阀和4 个二位二通电磁阀，2 类共计8 个电磁阀。根据表1，不论是二位二通电磁阀，还是二位三通电磁阀都只有2 种状态，常通和常断。因此，2 种不同电磁阀对于驱动电路的要求是相同的。因此，8 个电磁阀的驱动电路仅需要设计一种即可，如图3所示。为了避免继电器K7 对单片机的影响，采用光耦PC817C 进行隔离，并采用S8050 三极管提高继电器线圈的驱动电流，采用1N5819WS 二极管作为续流二极管，保护S8050，将DQ5 接单片机I/O 引脚。

图3 电磁阀驱动电路原理图

1.4 变送器信号采集电路

压力变送器和高度（位移）变送器（共8 个）选用集成模块，输出均为标准4~20 mA 电流。单片机的ADC模数转换接口只能接收电压信号，因此设计了专用的采集电路，如图4 所示。采用精度为0.1%的10 Ω 电阻采集电流，将电流转换为0.04~0.2 V 的电压信号。采用KTA2333-MP8 放大器和电阻组成高精度的差分放大电路，放大倍数为10。这样，将待测的电压信号的范围转换为0.4~2 V，满足单片机ADC 通道2.5 V 基准电压源测量范围。电压信号经过KTA2333-MP8 构成的射级跟随器隔离后，再经过RC 滤波器滤波后进入单片机的ADC 模数转换通道。8 个不同变送器进入8 个不同ADC 通道，分别采集电压数值。

图4 采集电路原理图

1.5 中控MCU 和基准电压源

中控MCU 选用STC32G12K128 单片机，该单片机内部集成高精度的R/C 时钟电路，因此不需要外部晶振电路，也不需要外部的复位电路。因此其最小系统（图5（a）），主要是提供稳定可靠的单片机供电电源，本设计提供5 V 电源，并添加电容滤波。为提高ADC模数转换的采集精度和满足采集电路的电压范围，本系统采用CJ431 设计2.5 V 基准电源作为ADC 的参考电压，如图5（b）所示。

图5 中控MCU 和基准电压原理图

1.6 单片机供电电源设计

监单片机的供电电源电路如图6 所示，采用AMS1117-5.0 将12 V 转换5 V 为系统供电。在12 V和输出5 V 端都增加稳压滤波电容，提供稳定和可靠的5 V 电源。

图6 单片机供电电源

2 试验平台软件部分设计

试验平台的软件部分设计分为2 部分，分别是上位机应用软件MATLAB 的串口数据接收程序及GUI设计和下位机STC32 单片机的程序设计，本设计中单片机程序采用Keil 软件完成。

下位机STC32 进行模数转换时，模拟量采集通道采集的数值与被测量值之间的关系如式（1）所示。STC32 单片机12 位ADC 对应的基准值为4 096，根据图5（b）设计的参考ADC 基准电压为2.5 V，电流采集电阻阻值为10 Ω，差分放大电路的放大倍数为10（图4），变送器输出电流单位为mA。则变送器输出电流的数值如式（1）所示。

式中：I为变送器输出电流值，mA；Date_AI0 为ADC0通道中的数值，为1。变送器输出电流与压力和高度之间的关系参见变送器技术手册。

对于下位机STC32，需要依次完成GPIO 初始化、ADC 模数转换初始化和串口初始化的步骤，然后在串口接收到“1”的开始发送数据命令后，开始按照“0xFF，0xFF，变送器数据，0x0A”的帧格式通过串口发送数据。其程序设计流程图如图7（a）所示。

图7 程序流程图

对于上位机使用MATLAB 软件收集串口发送的数据。在MATLAB 软件的APP 设计功能下，需要依次调用serialportlist（）连接串行通信端口列表函数、serialport（）连接串行端口函数，get（）获取串行端口有效字节数函数和read（）读取串行端口指定字节数据等函数从下位机获取压力和高度变送器数据，其程序设计流程图如图7（b）所示。设计的GUI 如图8 所示。

图8 GUI 界面

3 结论

综上，通过软硬件的联调联试，得出如下结论：

1）本文设计的试验平台可以实现空气弹簧系统运行状态的实时监测。

2）本文设计的控制电路可以实现对试验平台的启动停止控制，能够通过采集空气弹簧的压力和高度这2 个关键参数监测试验平台的运行状态，且能调节系统高度和通过上位机显示监测的数据。