Аппаратное обеспечение при проведении экспериментальных исследований лесозаготовительных машин

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Скобцов И.Г. (ПетрГУ, Петрозаводск, РФ)

This paper deals with the hardware, that can be used for doing the experimental research of turnability of serial and perspective forest machines.

Одним из основных требований, предъявляемых к трелевочному трактору, является его высокая маневренность. Именно маневренные свойства во многом определяют временные затраты на формирование и транспортировку пакета деревьев (хлыстов) на верхний склад, и, следовательно, влияют на производительность. Повышение маневренности требует проведения обширных теоретических и экспериментальных исследований трелевочных тракторов в условиях лесосеки [1]. Следовательно, можно утверждать, что проведение испытаний маневренности лесозаготовительных машин с использованием современных аппаратных возможностей для расширения достигнутых научных результатов в этой области, может представлять несомненный теоретический и практический интерес.

Объектом наших исследований являлся опытный образец гусеничного трелевочного трактора на базе ТБ-1М-15, оборудованный гидрообъемной трансмиссией, выполненной по бортовой схеме. Методика проведения испытаний и обработки экспериментальных данных изложена в [2] и мы не будем подробно на них останавливаться.

Для проведения полевых испытаний мобильных машин необходима компактная и дорогостоящая аппаратура, которую зачастую довольно сложно адаптировать к различного рода задачам. Поэтому в ходе работы была поставлена задача разработки программно-аппаратного комплекса с гибко меняющимися характеристиками, способного работать в полевых условиях.

Планировалось on-line измерение следующих характеристик трактора: давление в левом и правом гидроприводах трансмиссии, моменты и частоты вращения валов привода ведущих звездочек, частота вращения коленчатого вала двигателя и расход топлива. Для этого на тракторе были установлены следующие датчики:

- два тензометрических датчика давления;

- два тензометрических датчика моментов;

- три таходатчика;

- датчик расхода топлива.

В результате анализа задачи выяснилось, что в данной работе нецелесообразно использовать серийно выпускаемое измерительное оборудование в виду его высокой стоимости и значительных затрат на его адаптацию для проведения данного эксперимента. Кроме того, на этапе НИР нельзя было однозначно оценить диапазоны измеряемых величин, скорость их изменения, частоту дискретизации и объем данных, необходимый для проведения исчерпывающего эксперимента. Это потребовало разработки легко перестраиваемого измерительного комплекса с гибко меняющимися характеристиками, способного работать в полевых условиях. Было принято решение использовать микроконтроллер, выполненный на базе микропроцессора Motorola MC68HC908, как обладающий заведомо достаточными параметрами для проведения данных измерений.

В состав контроллера вошли следующие компоненты:

1. Главная плата контроллера, на которой расположены:

-микропроцессор MC68HC908 с необходимыми для работы компонентами;

- программатор с разъёмом для подключения к компьютеру;

- разъём для подключения ЖК индикатора;

- разъём для подключения клавиатуры;

- разъём для подключения согласующего усилителя;

- 2 разъёма для подключения интерфейсных плат.

2. Модуль жидкокристаллического индикатора состоящий из БИС контроллера управления и ЖК панели (модуль позволяет отображать 2 строки по 16 символов в каждой).

3. Клавиатура.

4. Две интерфейсные платы.

Контроллер практически целиком собран на SMD компонентах, с шагом разводки 0,8 мм. Разработанный контроллер имеет следующие основные характеристики:

- Высокопроизводительное M68HC08 ядро;

- Совместимость программного кода с M6805, M146805, M68HC05;

- Тактовая частота 8,4 МГц;

- 60 Кб электрически стираемой памяти FLASH;

- Защита FLASH памяти от несанкционированного доступа;

- 1 Кб EEPROM с защитой от несанкционированного доступа;

- 2 Кб RAM;

- Интерфейсы SPI и SCI;

- 8-битный 15-канальный аналогово-цифровой преобразователь, со скоростью преобразования 17 мкс;

-16-битный 6-канальный ШИМ;

- 5-битный интерфейс клавиатуры;

- Интерфейс CAN;

- Сторожевой таймер;

- 8 8-битных портов ввода-вывода;

- Рабочая температура от -40 С до + 85 С;

- Однополярное питание от +3В до +5В.

Контроллер имеет до 55 линий ввода-вывода. Линии ввода-вывода легко программно перенастраиваются. Таким образом к контроллеру можно подключить до 55 датчиков (наличие в составе контроллера кросплат, позволяет изменить его конфигурацию в считанные часы). Аппаратные возможности контроллера могут быть легко увеличены путём введения в схему дополнительных модулей, на микросхемах высокой интеграции, поддерживающих интерфейсы SPI, SCI и CAN (например 16-разрядные АЦП, интегральные генераторы сигналов, ЦАПы и т.д.).

Для измерения крутящих моментов на валах привода ведущих звездочек были установлены фольговые тензометрические датчики марки 2ФКРВ-10-100ГВ, что вызвало необходимость разработки усилителей для согласования тензодатчиков с измерительным комплексом.

Для согласования таходатчиков и датчиков давления с контроллером была разработана интерфейсная плата, обеспечивающая необходимый коэффициент усиления и фильтрацию от помех. При разработке печатных плат использовались программы САПР ACCEL EDA 15, P-CAD 2000 и трассировщик Specctra. Система Specctra представляет собой принципиально новый класс систем проектирования печатных плат, в основе алгоритмов которых лежат так называемая бессеточная техника размещения компонентов и трассировки проводников, основанная на хранении и обработки информации о формах объектов (Shape-based technology).

При создании программного обеспечения была применена интегрированная среда разработки CodeWarrior IDE. Разработанное программное обеспечение (ПО) позволило снимать информацию с семи датчиков (один раз за 17 мс снимается информация с 7 датчиков) и записывать её во FLASH память контроллера (в данном варианте до 60000 8-битных значений). Данное ПО позволяет передавать полученную информацию как в персональный компьютер после окончания эксперимента, так и выводить данные на ЖК индикатор с целью контроля и тестирования датчиков до и в ходе эксперимента.

В ходе проведенной работы был разработан многоцелевой, легко адаптируемый к последующим задачам, программно-аппаратный комплекс. Были проведены серии летних и зимних испытаний опытного образца гусеничного трелевочного трактора в условиях лесосеки.

Вывод. Разработанный для проведения экспериментальных исследований микроконтроллер с необходимыми согласующими усилителями может применяться для снятия динамических характеристик не только опытного образца трелевочного трактора, но и других тракторов и лесозаготовительных машин отечественных и зарубежных производителей.

Литература

1. Отчет о НИР «Исследование гусеничных тракторов ОТЗ с различными типами моторно-трансмиссионных установок» / Санкт-Петербург №госрегистрации 01.930.0 00389. 1993.

2. Скобцов И.Г. Сравнительные испытания лесозаготовительных машин: новая методика и аппаратура.// Актуальные проблемы лесного комплекса: Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 14 – Брянск: БГИТА, 2006. - С.58-60.