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曲轴凸轮轴信号发生器上位机基于Android的软件研发

2024-01-26 41 上传者：管理员

摘要：工程车曲轴、凸轮轴信号发生器需要上位机存储和管理波形配置参数，传统信号发生器的上位机一般为PC机，存在体积庞大不便于携带的缺点。针对该问题，采用Android智能手机作为上位机，设计基于蓝牙通信的曲轴、凸轮轴信号发生器上位机软件。波形配置参数采用云数据库存储，通过后台管理系统进行有效管理。用户只需在客户端中根据波形类型请求相应参数并通过蓝牙发送给信号发生器，大大提高设备的便携性，降低操作难度，节约信号发生器的片上资源。

关键词：
Android
上位机
信号发生器
曲轴凸轮轴
软件研发
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工程车通常采用柴油发动机，电子控制单元（Electronic Control Unit,ECU）是发动机核心部件，控制着发动机的喷油量以及工程车的工作状态[1]。由于工程车长期在强震动、高辐射、电磁干扰等恶劣的环境下作业，ECU故障频发。发动机发生故障后很难对工程车进行托运，常见做法是技术人员前往工作场地进行检修，因此对检修设备的便携性有着很高的要求[2]。

曲轴、凸轮轴信号是ECU判缸和喷油驱动程序所需要的最基本的信号[3]。当发动机发生故障时，需要对信号发生器产生曲轴、凸轮轴的模拟信号进行仿真，实现离线检测。常见的信号发生器体积较大，采用PC机作为上位机，存在携带不便捷的问题。而且不同品牌车型的发动机结构不同，相应的曲轴、凸轮轴信号也各不相同，传统信号发生器所产生的波形无法满足不同型号的工程车发动机[4]。为提高信号发生器便携性，增加信号种类，专用的便携式工程车曲轴、凸轮轴激励信号发生器一般采用STM32结合FPGA实现[5]。如图1所示，上位机存储、管理波形的配置参数，并按需发送给信号发生器。核心控制器STM32中的曲轴、凸轮轴生成算法会根据用户提供的不同配置参数生成不同种类的波形数据，STM32控制FPGA多通道产生所需波形[6]。

本文为便携式工程车曲轴、凸轮轴信号发生器研发了上位机软件，用来存储和管理不同品牌工程车发动机曲轴、凸轮轴信号发生的配置参数，为用户提供友好的操作界面，根据用户需求查询信号发生所需要的配置参数并通过蓝牙发送给信号发生器。

图1专用的工程车曲轴凸轮轴激励信号发生器工作流程

1、上位机软件总体设计方案

上位机为Android智能手机，下位机为任意波形生成系统，上位机软件的设计方案如图2所示。

用户信息、工程车品牌、发动机型号和波形生成所需配置参数等信息存储在云端数据库，管理员可通过波形配置参数管理系统对工程车品牌、工程车发动机型号和波形配置参数进行管理。普通用户在Android APP上选择工程车品牌、工程车发动机型号等信息，向后台管理系统请求得到生成该型号发动机曲轴、凸轮轴波形所需要的配置参数，通过低功耗蓝牙BLE发送至波形发生器上的蓝牙模块，STM32得到配置参数后，进一步生成所需波形。

上位机软件的设计需求如下：(1)数据通信。实现上位机与任意波形生成系统之间的数据通信，可以通过蓝牙与下位机建立连接，并发送波形生成所需参数；(2)波形配置参数管理。实现对工程车品牌、发动机型号、波形生成所需配置参数等信息的增、删、改、查；(3)状态显示。显示并记录波形生成系统工作状态，形成波形发生“历史记录”；(4)用户管理。实现对普通用户和管理员用户账户信息的管理。

图2上位机软件设计方案

2、上位机软件功能设计

上位机软件主要由Android APP和波形配置参数管理系统2部分构成。图3为上位机软件的系统模块图。

Android APP面向普通用户，主要功能模块：(1)用户信息管理模块。该模块实现用户的注册与登录，用户信息的查看与修改等功能；(2)蓝牙建立与连接模块。该模块实现上位机与信号发生器数据通信链路的建立，实时反馈上位机和信号发生器蓝牙连接状态；(3)波形配置参数查询与发送模块。该模块引导用户选择需要生成波形的工程车品牌、发动机型号等信息，向后台管理系统查询得到匹配的配置参数并显示到界面。能够向波形发生器正确无误地发送查询到的波形配置参数并反馈发送结果；(4)历史数据模块。该模块主要实现历史波形配置参数发送记录的查询。

波形配置参数管理系统面向管理员用户，主要功能模块：(1)用户信息管理模块。该模块主要实现管理员用户的注册与登录，普通用户账号的管理；(2)工程车品牌管理模块。该模块主要实现工程车品牌的添加、修改、删除等功能；(3)发动机型号管理模块。该模块主要实现发动机型号的添加、修改、删除的功能；(4)波形配置参数管理模块。该模块是整个后台管理系统的核心模块，主要实现添加、修改、删除不同型号发动机曲轴、凸轮轴信号发生的配置参数；(5)历史数据模块。该模块主要实现历史波形配置参数获取记录的查询。

图3上位机软件系统模块图

3、上位机软件详细设计

上位机软件用户端基于Android Studio开发，使用的编程语言是Java，软件可以在装有Android4.0版本操作系统以上的设备上安装运行。实现蓝牙设备连接、波形类型的选择、波形数据的查询和波形参数的下发等功能。上位机界面主要有蓝牙连接界面、波形类型选择及波形配置参数查询界面、用户管理界面。可根据工程车品牌、发动机信号、所需曲轴、凸轮轴信号类型向后台管理系统查询得到生成该波形的配置参数和控制字，如曲轴、凸轮轴类型、缺齿数等，通过蓝牙将这些参数传递给下位机。界面会回显参数传递状态和下位机波形生成状态，并产生一条波形生成记录。

波形参数管理系统后端基于Spring Boot框架，前端采用Vue+Element UI，实现前后端分离。后端为前端提供一系列操作接口，如修改用户信息接口、工程车品牌操作接口、发动机型号操作接口等。管理员用户可以很方便地管理波形配置参数和用户信息。为了保证波形配置参数和用户信息的安全性，波形配置参数管理系统和数据库均部署在云端，并定期进行维护。

3.1软件工作流程

普通用户端软件使用流程：(1)用户在“蓝牙连接”界面打开蓝牙，选择要连接的设备，等待蓝牙连接成功；(2)用户在“波形配置参数获取”界面选填工程车品牌、发动机型号、曲轴和凸轮轴波形类型等信息，点击“获取波形配置参数”按钮，等待查询相关配置参数，如果查询成功，配置参数将会显示在界面，否则给出错误信息；(3)波形参数获取完成后，用户检查无误后点击“发送波形数据”按钮，等待波形参数发送成功以及波形生成结果反馈；(4)如果波形生成成功，断开蓝牙连接；如果生成失败，重复步骤2和步骤3。使用流程如图4所示。

3.2基于蓝牙通信的波形数据传输方法

用户在APP中授予相关操作权限后，打开蓝牙，点击搜索蓝牙设备，便能在蓝牙设备类表中看到可连接的蓝牙设备。为了方便用户连接，下位机蓝牙命名为STM32F103。首次连接需要用过数据配对码先进行配对，配对成功会提示用户，即可开始相关数据的传输。完成配对的Android设备可用过调用Bluetooth Socket中的方法实现跨设备通信[7]。

图4上位机软件工作流程

与STM32上的蓝牙模块通信时，需要事先约定好通信协议。在APP和下位机中都需要配置好对应的协议，才能实现正确的通信。上位机向波形发生器硬件中断发送参数的数据协议如图5所示。帧头标志一个数据帧的开始，帧尾标志数据帧的结束，需要传递的参数在中间的数据部分。由于数据采用串行传输，只需在开发过程中事先约定好参数在每个数据段中的位置即可。校验码用于检验传输过程中有无传输错误[8]。

图5数据通信协议

以工程车曲轴激励信号为例，数据段传递的参数包括曲轴信号类型、曲轴圈数、曲轴信号是否取反、总齿数和缺齿数等。Android端发送网络请求得到波形参数，将波形参数添加帧头帧尾封装成帧后转为字节流形式，通过蓝牙向下位机串行发送字节流，接收端接收到的数据中参数的顺序不会发生变化，下位机按照事先规定依次取出这些参数。数据传输的流程图如图6所示。

图6数据传输流程

3.3波形配置参数请求流程

管理员用户需在波形参数管理系统中添加相应的工程车品牌，每种工程车品牌下有不同的发动机型号，每种型号的发动机的曲轴、凸轮轴型号配置参数也不尽相同，管理员用户需要在波形配置参数管理系统中添加波形配置参数，普通用户才能根据需求请求相关的波形配置参数。

管理员添加波形配置参数流程：(1)以管理员身份登录波形配置参数管理系统；(2)添加工程车品牌信息；(3)添加该品牌下的发动机型号信息；(4)添加该型号对应的曲轴、凸轮轴信号配置参数。

普通用户请求波形配置参数流程：(1)以普通用户身份登录Android应用；(2)选择工程车品牌、发动机型号、波形类型等信息；(3)获取波形配置参数；(4)等待结果反馈。

图7分别为管理员添加波形配置参数流程图和普通用户请求波形配置参数流程图。

4、上位机软件实现

4.1蓝牙配对与连接

蓝牙配对连接界面主要实现蓝牙设备的查找和通信的建立功能。点击“添加蓝牙设备按钮”后，手机开始搜索周围可连接设备，为了精确搜索到周围的设备，我们对蓝牙扫描范围进行了设置。在下位机蓝牙模块连通的情况下，可根据设备名称搜索到下位机。在搜索到的可用设备列表中，点击想要添加设备的名称，即可添加该设备。在蓝牙设备列表中选择想要连接的设备，跳转到波形配置参数选择界面，等待日志信息显示“连接成功”提示后，即可开始数据通信。图8为蓝牙设备搜索界面，图9为已添加设备列表界面。

4.2波形配置参数获取与发送

波形配置参数获取与发送界面主要实现波形工程车品牌选择、发动机型号选择、波形类型的选择、波形参数的查询与发送。用户在如图10所示的界面中选择工程车品牌、发动机型号、波形类型等选项后，后台会根据设置的选项在数据库查询该信号生成所需要的参数和控制字。检查查询的结果无误后，点击“发送”按钮，即可将参数发送给下位机，如果下位机接收成功，会向手机反馈成功信息。

图7波形配置参数添加与请求流程图

图8蓝牙设备搜索界面图

图9已添加设备列表界面

图1 0波形配置参数查询与发送界面

4.3用户信息及历史波形查看

用户信息管理及历史波形查看界面主要实现用户账号的管理和历史生成波形信息的查看。APP只有在用户登录的情况下才能正常生成波形，在该界面可以看到用户头像、用户名等基本信息，用户可以对头像、用户名、密码等信息进行修改。历史波形列表显示用户生成过的历史波形，在此列表中，用户再次点击生成过的波形，可直接查询得到波形参数，无需再次选择工程车品牌、发动机型号等信息。

4.4波形参数后台管理系统

波形参数管理系统后端基于Java语言结合Spring Boot框架开发，前端网页基于Vue+Element UI开发，实现了前后端分离，后端提供的接口Android在网络请求时可以直接调用。管理人员在管理系统中可以查看修改用户信息，对波形类型及波形参数进行增、删、改、查等操作。波形参数管理系统的界面如图11所示。

图1 1波形参数管理系统界面

5、结束语

本文为基于FPGA和STM32的便携式微型任意波形发生器设计了上位机软件，实现波形发生配置参数和控制字的获取与发送。上位机软件基于Android平台开发，上、下位机之间通过蓝牙实现数据传送。波形配置参数存储在云端数据库，通过参数管理系统管理。解决了传统任意波形发生器上位机体型庞大、不便于携带的问题，节省了下位机片上资源，降低了操作难度。

参考文献:

[1]郑兴建.基于虚拟仪器的工程车发动机ECU检测系统[D].银川:宁夏大学,2022.

[2]王博.基于卷积神经网络的工程车EECU激励信号分类方法研究[D].银川:宁夏大学,2022.

[3]田飞,王贵勇,赵应兵,等.电控柴油机曲轴与凸轮轴同步脉冲信号模拟[J].信息与电子工程,2012,10(5):643-647.

[4]徐金帅.基于STM32车载诊断与上位机软件的设计与实现[D].杭州:浙江工业大学,2015.

[5]马启晟.基于STM32单片机的信号发生器设计[J].中国军转民,2022(11):64-68.

[6]臧谱阳,王正斌.基于FPGA的信号发生器的设计与实现[J].电脑知识与技术,2020,16(27):220-221.

[7]熊小军,万辉勇,陈泓屹.基于Android的低功耗蓝牙通讯研究与实现[J].科技广场,2015(7):122-127.

[8]阎占林,黄健文,黄健,等.BLE蓝牙通信卡蓝牙功能的技术研究与测试[J].电子产品世界,2022,29(4):41-48.

基金资助:宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BDE03007);宁夏回族自治区自然科学基金(2022AAC03004);省级大学生创新创业训练计划项目(S202210749048);

文章来源:闫辉,王亚宁,陈修龙等.基于Android的曲轴凸轮轴信号发生器上位机软件研发[J].科技创新与应用,2024,14(04):33-38.