汽车制动试验台数据采集、处理系统研制--毕业论文.doc

I I 摘摘 要要 本文主要研究内容是汽车检测线制动工位测控系统的研制。GB7258 2007机动车运行安全技术条件中对汽车制动系统提出了主要技术条件,规定 了台式检验制动性能的检测项目及相关标准。根据要求设计了总体方案，根据 检测实际环境和技术要求具体设计了系统硬件和软件。 首先，在确立了对汽车制动性能参量检测及控制的总体方案后，根据各个 参量的特点设计了硬件检测电路。第二部分对软、硬件的可靠性设计、抗干扰 措施等方面进行了研究。第三部分研究了本系统所采用的数据处理方法。包括 FIR 数字滤波算法。最后一部分对制动力测控系统进行了系统调试和性能试验， 用前面提到的数据处理方法处理实验数据结果达到预期要求。 关键词： 汽车制动性 测控检测系统抗干扰 数字滤波 FIR ABSTRACT This thesis designs automobile braking performance inspecting and control system. Some primary technical qualification of automobile braking has been brought forward in .inspecting item and correlate criterion of table inspection braking performance has been prescripted in it. The hardware and software are designed according to practical need. In order to restrain the noise, the design of hardware anti-interference and digital filter is necessary. Firstly, establishing the blue print of auto braking performance inspecting and control system the hardware has been designed according to the characteristic of the parameter. The second part is the software and hardware reliability and anti-jamming has been researched. The third part is about data processing method including digital filtering arithmetic and data synthesizing technical, such as FIR digital filtering. In the last part, we did some system debug and performance test to braking inspecting system. According to the data gained by using the technical we said just now . Key Words：automobile braking performance inspecting system digital filtering Finite Impulse Response I I 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论1 1.1 本课题研究的目的及意义 1 1.2 本课题研究的主要内容 1 第二章第二章 制动试验台检测系统的设计制动试验台检测系统的设计2 2.1 检测系统结构、原理及方案 2 2.1.1 制动工作试验台的工作原理 .2 2.1.2 汽车制动性能检测相关标准3 2.2 设计方案3 2.3 输入模块的设计 4 2.3.1 力传感器信号处理电路4 2.3.2 速度传感器信号处理电路7 2.4 输出模块设计11 2.5 系统软件设计 11 第三章第三章 系统抗干扰设计系统抗干扰设计14 3.1 干扰的形成 14 3.1.1 干扰源14 3.1.2 耦合方式14 3.2 硬件抗干扰措施 14 3.2.1 供电系统的抗干扰措施14 3.2.2 接地系统的抗干扰措施15 3.2.3 针对电磁场耦合及辐射干扰而采取的措施15 3.2.4 接口电路的抗干扰措施.15 3.3 用软件消除干扰的方法 16 3.3.1 软件抗干扰的提出16 3.3.2 软件抗干扰的特点16 3.3.3 设计合适的数字滤波程序16 3.3.4 提高系统的容错能力.16 3.4 总结 17 第四章第四章 数字处理方法研究数字处理方法研究18 4.1 曲线拟合 18 4.1.1 拟合曲线的优化算法19 4.1.2 拟合曲线的优化算法19 IIII 4.1.3AB段拟合函数的构造20 4.14BC段拟合函数的构造.20 4.15 优化后制动力曲线.21 4.2 FIR 数字滤波器的设计 .21 4.2.1 FIR 结构简介21 4.2.2窗函数的选择及程序框图.22 第五章第五章 系统调试系统调试23 5.1 制动过程分析23 5.2 系统调试23 5.2.1 静态调试.23 5.2.2联机仿真调试.24 5.3 系统标定.24 5.3.1 标定实验.24 5.3.2制动台数据处理.25 结结 论论26 参参 考考 文文 献献27 致致 谢谢28 - - 1 1 - - 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 本课题研究的目的及意义本课题研究的目的及意义 机动车制动性能是安全检测的重点检测项目之一。据调查，在机动车发生 的交通事故中由于制动不良占有很大的比重，可见机动车必须具备良好的制动 性能才能保证行驶安全；同时也只有在此条件下才能提高行驶速度和运输生产 率。因此我们应该高度重视机动车的制动性能，必须经常对制动系统进行检验 和调整。 随着电子技术和机械加工工业的发展，在传统检测方法的基础上，逐步发 展成现代汽车诊断与检测技术。汽车检测通常指使用现代检测技术和设备，结 合计算机、自动控制等高新技术来检测汽车技术状况，是以工程数学、故障物 理、可靠性理论、电子学和电子技术、信息控制理论等为基础的一门综合性应 用科学。汽车检测对于保证交通安全，加强环境保护，提高运输能力和降低生 产成本都具有重要意义。因此选择汽车性能检测作为研究课题是很有现实意义 的。 1.2 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 本文的研究工作分为三部分。 第一部分是汽车制动性测控系统的设计。在确立了对汽车制动性能参量检 测及控制的总体方案后，根据各个参量的特点设计了硬件检测电路，并介绍了 各个部分的工作原理，最后根据检测项目和功能要求设计了软件。 第二部分讨论了对系统抗干扰和滤波的问题。介绍了在线检测系统中干扰 信号和噪声的排除和抑制的若干途径。提到了在本系统中如何解决系统中抗干 扰和滤波方法。 第三部分是系统调试部分。 本文的主要工作： 1、完成汽车制动性能整个检测系统硬件部分的设计。传感器信号处理电路 的设计。 2、完成 FIR 算法，设计 FIR 滤波器。 3、对系统制动过程进行分析及调试。 - - 2 2 - - 第二章第二章 制动试验台检测系统的设计制动试验台检测系统的设计 2.1 检测系统结构、原理及方案检测系统结构、原理及方案 2.1.1 制动工作试验台的工作原理制动工作试验台的工作原理 滚筒反力式制动试验台由结构相同的左右两套车轮制动力测试单元和一套 指示装置组成。每套车轮制动力测试单元由驱动装置、滚筒组、第三滚筒、测 量装置等构成，其结构简图如图 2-1 所示。 12345 67 8 1.电动机 2.减速箱 3.压力传感器 4.滚筒 5.第三滚筒 6.光电传感器 7.链传动 8.测量指示仪表 图 2-1 滚筒反力式制动试验台 制动力测量装置主要由测力杠杆和应变测力传感器组成。测力杠杆一端与 传感器连接，另一端与减速器壳体连接。进行汽车制动力检测时，将被检汽车 驶上制动试验台上，车轮置于主、从动滚筒之间，压下第三滚筒，起动电动机， 经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮转动。被测车轮制动时，测力杠杆 与减速器壳体将一起绕主动滚筒轴线摆动，传感器将测力杠杆传来的、与制动 力大小成正比的力转换成相应电信号后输送给后继处理装置。当车轮速度下降 20%时，计算机发出指令使电动机停转1.2。 汽车制动性测量参量包括：车轮阻滞力，制动力和检测，制动力平衡检测， 制动协调时间检测，驻车制动力检测。因此汽车制动性参量测量的技术指标主 要是力学参量测量的技术指标。其内容如下2： 1、制动力最大测试范围 030000N。 2、踏板力最大测试范围 01000N。 3、零值误差不超过0.1%(FS)。 4、制动力不大于 4%(FS)的：不超过0.4%。 5、制动力大于 4%(FS)的：不超过5%。 6、左右制动力示值间差，当制动力不大于 4%(FS)时不超过 5%，当制动力 大于 4%(FS)时不超过 3%。 - - 3 3 - - 7、自动关机时，其第三滚筒在自动关机时的线速度值应为主滚筒线速度值 的 70%90%。 根据所规定的技术指标，本系统制动力测量采用的力传感器为 0.05 级（万 分之五）BHR 系列悬臂梁式高精度测力传感器，量程为 050000N，供电电压 DC9VDC15V，输出信号 1.520mV。由此可见，传感器的选择足以满足所 需的测量精度。 2.1.2 汽车制动性能检测相关标准汽车制动性能检测相关标准 GB72582007机动车运行安全技术条件中对汽车制动系统提出了主要 技术条件，规定了台式检验制动性能的检测项目及相关标准。制动性能台式检 验的技术要求如下： 1、制动性能台式检验车轴制动力的要求见表 2-1。 2、制动力平衡要求 在制动力增长的过程中，左、右轮制动力差与该轴左、右轮中制动力大者 之比对前轴不得大于 20%，对后轴不得大于 24%。 3、车轮阻滞力 汽车和无轨电车车轮阻滞力均不得大于该轴轴荷的 5%。 4、制动协调时间 是指从驾驶员踩下制动踏板的瞬间作为起始点，直至制动力与轴荷之比达 到标准规定值的 75%时为止。单车不得大于 0.6s，汽车列车不得大于 0.8s。 表 2-1 台式检验制动力要求 制动力总和与整车质量的百 分比%车辆类型 空载满载 前轴制动力与 轴荷的百分比% 汽车、汽车 列车 605060 2.2 设计方案设计方案 由前面介绍的汽车在制动试验台上测试制动性的原理以及制动性参量检测 的技术指标可知，实时性、测量数据的准确性、控制的可靠性和强抗干扰能力 是系统设计的关键15。 本测试系统由工控机结合单片机完成数据采集和控制等功能，传感器信号 经过处理后送 A/D 转换，向单片机传送数据，以便与 PC 机通信。工控机通过 I/O 来控制试验台的启动和停止。总体结构方案如图 2-2 所示。 - - 4 4 - - 制制 动动 试试 验验 台台 压压力力传传感感器器V/I变变换换I/V变变换换 A/D变变换换 单单 片片 机机 滑滑移移率率 速速度度传传感感器器放放大大、整整形形8253-5 电电机机 电电机机 控控制制 部部分分 固固态态继继电电器器MC141374LS373 显显示示屏屏串串口口RS232 与与上上、下下工工位位连连接接网网卡卡 工工业业用用控控制制机机 图 2-2 系统总体结构方案 2.3 输入模块的设计输入模块的设计 2.3.1 力传感器信号处理电路力传感器信号处理电路 由上面的分析可以得到力传感器信号测量的技术方案如图 2-3 所示。 图 2-3 压力传感器信号处理框图3 1、V/I 电路的设计电路的设计 V/I 转换器的一个功能是把输入的电压信号转换成与之成正比例的电流信号 输出，实现电压电流变换；另一个功能是，若输入信号电 压不变，则输出电流 恒定，此时的 V/I 转换器就是一个恒流源。集成运算放大器型接地负载 V/I 转 换器的电路，如图 2-4 所示。 为运算放大器，一般是中功率晶体管，和为输入电阻，和 1 AT 1 R 2 R 3 R 为输入反馈电阻，为限流电阻，为电流反馈采样电阻，是负载电阻， 4 R 5 R f R L R 为输入电压 020，为输出电流 020。 i VmV O ImA R1 2K R2 2K R5 R3 50K R4 50K Rf 25 RL A1 _ + V+ T A B V1 V0 图 2-4 020电压转换成 020电流的转换器mVmAIV / 该电路中采样电阻浮置而负载电阻接地。因浮置故需两个输入反 f R L R f R 馈电阻和。常规的输入反馈电阻用于电流采样。而接到的另一端 3 R 4 R 3 R 4 R f R 力力传传感感 器器信信号号 A/D 转转换换 隔隔离离 放放大大 I/V变变换换V/I变变换换模模拟拟通通道道 - - 5 5 - - 用以提供被转换的电压，若不用，则和均成为采样电阻，输出电流 4 R f R L R 就和有关，不是恒流源。集成运算放大器接成深反馈同相放大器，同 O I L R 1 A 时存在正、负两种反馈，由于改变时，点电位变化比点大，反馈的净效 O IAB 应仍然为负。由于运算放大器的输入阻抗很高，反馈采样电阻采到的电流 1 A f R 信号，以电压的形式加到运算放大器的输入端，且极性与输入信号反相，所以 这是一个电流并联负反馈线路。而且采样反馈的信号正是要输出的电流信号， 这样输出电流具有恒流作用。能增加电流驱动，使最大输出电流不受集成运T 算放大器的输出电流的限制。 2、I/V 电路的设计电路的设计 RCV420 是美国 RURR-BROWN 公司生产的精密电流环接收器芯片,用于将 420mA 输入信号转换成为 05V 输出信号,具有很高的性能价格比。它包含一 个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密 10V 电压基准。其总转 换精度为 0.1%,共模抑制比 CMR 达 86dB,共模输入范围达40V。RCV420 无需 其它外围器件辅助,就能实现诸多功能。增益、偏置和 CMR 无需调节,较之由分 立器件设计的印制板电路,RCV420 具有更低的开发成本、制造成本和现场维护 费用。 1、基本原理、基本原理 _ + 16 1 2 3 4 13 5 7 8 10 11 14 15 12 V+ V- 正正电电源源 IN负负输输入入 CT输输入入中中心心抽抽头头 +IN正正输输入入 负负电电源源 Ref In基基准准输输入入 Rcv fB接接收收反反馈馈 Rcv Out接接收收输输出出 Ref Out基基准准输输出出 Ref fB基基准准反反馈馈 Ref Trim基基准准调调整整 Ref Noise Reduction基基准准降降噪噪 Ref Com基基准准公公共共 Rcv Com接接收收公公共共 图 2-5 功能框图 图 2-5 是 RCV420 的功能框图。当 420mA 电流输入对应 05V 电压输出 时,要求电路的传输阻抗为: mAVmAVIV INOUT /3125 . 0 16/5/ 为了得到期望的输出(4mA 时 0V,20mA 时 5V),放大器的输出必须有一个偏置： VmAVmAVOS25 . 1 )/3125 . 0 (4 输入电流信号接至+IN 端还是接至-IN 端取决于信号的极性,并经过中心抽 头返回地端。两个匹配的 75检测电阻构成对称输入,可最大程度地抑制 T C S R - - 6 6 - - 脚的共模电压信号,消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。检测 T C 电阻将输入的电流信号经差分放大器放大,转换成一个与之成正比的电压。 位于放大器反馈通道中的 T 型网络节点用于产生所需要的-1.25V 偏置电压。 输入电阻网络提供了很高的输入阻抗,并将共模输入电压衰减至运算放大器的共 模信号容限内。 图 2-6 是带二阶低通滤波电路的 420mA 至 010V 实际转换电路。使用过 程中 10、11 和 12 脚相连,2、5 和 13 脚相连接地,14 和 15 脚相连接,作为 05V 电压信号的输出端。当需要调整增益时,14 和 15 脚之间接入电位器来调整增益, 但这样会减小共模抑制比,因此,正负电源脚各接一个 1的退耦电容,并尽可F 能地靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和 CMR 误差,应按图示方法接地,并 确保最小接地电阻。输入信号视其极性或接至+In 脚,或接至-In 脚,经中心抽头 脚返回地端。图中的输入信号由+In 端输入至 RCV420，经过变换之后输出 T C 05V 的电压信号。信号再次经过线性放大后输出为 010V 的要求电压信 1O V 1O V 号。 CT +In 3 2 1 4 5 13 14 15 10 12 11 +15v V+ 1F + _ RCV420 VO1 (05v) 15.9k15.9k 1F 1F 15.9k 15.9k 1F vo (010v) V- -15v + _ 16 图 2-6 I/V 转换电路4 3、A/D 转换接口电路的设计转换接口电路的设计 一般来说检测系统要根据检测精度的要求和信号变化速率选择具有合适分 辨率和转换时间的 A/D 元件。检测标准中关于制动力检测精度规定检测允许误 差为 25N，本系统中制动台单边最大量程为 32500N 误差为 25N，而 1/21125/325001/210，所以从分辨率的角度选取 12 位 A/D 芯片即可满足要求。 制动力增长时间一般只有在一秒钟之内，而且要求准确的反映制动力曲线，这 个区间至少应有几百个数据采样点，加之数字滤波的要求，则需要 1000 个以上 的采样点，即要求转换时间不得大于 0.5ms。所以从转换时间的角度应选取快 速 A/D 芯片。 根据以上分析，本系统中采用 A/D1674 芯片。A/D1674 是美国 AD 公司生 - - 7 7 - - 产的 12 位逐次比较式快速 A/D 转换器，是 AD574 的替代产品，是一种内部由 双片双极型电路组成的 28 脚双列直插式的集成 A/D 转换器。其非线性误差小 于1/2LBS，最大转换时间 10s。A/D1674 内部设有三态数据输出锁存器，因 而可直接与各种典型的 8 位或 16 位微处理器相连，而无需外接元器件就可独立 完成 A/D 转换功能，应用非常方便。 2.3.2 速度传感器信号处理电路速度传感器信号处理电路 1、速度信号测量的原因及测量原理7 测试车轮速度是为了控制制动试验台电机的。当汽车车轮抱死时，所要测 量的最大制动力已经出现，要控制试验台电机停转。制动力测试时，主、从滚 筒，车轮，第三滚筒的速度变化如图 2-7 所示。图中、均为线速 1 V 2 V 3 V 4 V 度。 V1 V4 V3 V 2 V1为主滚筒的速度，V2为车轮的速度，V3为第三滚筒速度，V4为从滚筒的速度 图 2-7 滚筒、车轮和第三滚筒的速度变化 汽车驶入制动试验台车轮置于主、从滚筒之间，同时压下第三滚筒。第三 滚筒和车轮可靠接触，制动台电机启动后主滚筒带动车轮和从滚筒转动，车轮 的转动方向与主滚筒的转动方向相反，第三滚筒由于和车轮可靠接触，所以车 轮也会带动第三滚筒转动，第三滚筒的转动方向与车轮的转动方向相反。电机 启动至主滚筒转速稳定后，汽车制动踏板未踩下时，由图 2-7 可知，主、从滚 筒、车轮和第三滚筒的线速度应相等，即： (2-1) 1 V 2 V 3 V 4 V 当踩下制动踏板时，主滚筒的速度由于是由驱动电机带动的，所以它的 1 V 线速度不变，而车轮的线速度由于汽车制动系的作用而降低变为，同时第三 2 V 滚筒的线速度变为，因为第三滚筒是由车轮带动的，所以应该有= 。从 3 V 2 V 3 V 汽车理论知识可知，制动时汽车的地面制动力、制动器制动力以及附着力之间 存在着这样的关系：车轮还处于滚动状态时，地面制动力等于制动器制动力， 且随踏板力的增长而成正比增加。但随着踏板力的增大，当地面制动力等于附 着力时，车轮抱死拖滑，这时踏板力虽增加，但地面制动力不再增长，而恒等 于附着力。汽车在制动试验台滚筒上制动时，当踏板力增大，使车轮与滚筒表 - - 8 8 - - 面制动力增加到等于附着力时，车轮抱死，制动力的采集值即为此时的值。这 时驱动制动试验台滚筒的电机应马上停止，才不会使轮胎剥伤。汽车制动时车 轮既有滚动又有滑动，为了表明滑动的程度，即说明滑移成分的多少，通常用 滑移率 3来表示，即： S S = (Vrk)V100% (2-2) 式中: 滑移率；S 车轮平移线速度；V 车轮滚动半径； k r 车轮滚动角速度； 在制动试验台上汽车制动滑移率可表示为： S= V3V1100% (2-3) 理论证明最大制动力出现在滑移率在 70%90%之间2。所以要测量第三 滚筒的速度来控制电机停转。 第三滚筒上装有光电式速度传感器。第三滚筒每转一周，传感器输出 20 个 脉冲。在本测控系统中驱动电机的转速为 1440 r/min，减速箱的转速比为 22， 则主滚筒的转速为： 1 n =65.45r/min (2-4) 1 n 22 1440 在计算上通常用转速（r/min）来表示滚筒的速度7，则计算停电机时的线 速度比值（滑移率）可表示为： % (2-5)100 1 3 Dn dn 式中：线速度比值 主滚筒转速（r/min） 1 n 第三滚筒转速（r/min） 3 n 主滚筒直径（mm）D 第三滚筒直径（mm）d 本系统中，主滚筒的直径为 190mm，第三滚筒的直径为 60mm。则第三滚 筒最大的转速为： =207 r/min=3.45 r/s 3 n d D n 1 由此可得第三滚筒最大转速时，传感器输出方波的频率为： Hzf692045 . 3 由滑移率范围 70%90%可得传感器输出方波得频率范围为： HzfHz69 4 . 48 2、速度信号测量电路设计 - - 9 9 - - 速度传感器输出的脉冲信号，经过放大、限幅、整形后直接送到 8253-5 定 时/计数器进行计数，最后送到工控机中。电路如图 2-11 所示。 速度IN R1 1K R3 VR1 5K -12V 4 6 7 2 3 1K +12V R2 R6 1K R510K R410K VCC 整形输出OUT 74LS32 1K OP07 图 2-8 速度信号处理电路5 图 2-8 中，第三滚筒产生的脉冲信号经放大后，被 5V 稳压管稳压，再经 74LS32 整形后直接输入至定时/计数器进行计数。本次设计采用 8253-5 来实现 定时/计数功能。 8253-5 内部有三个 16 位减法计数器，每个计数器都有独立的输入输出控制 寄存器，都有六种不同的工作方式，可由编程确定，输出与兼容7。TTL 数数据据 总总线线 缓缓冲冲器器 计计数数器器1 计计数数器器2 计计数数器器0 控控制制字字 寄寄存存器器 读读/写写 逻逻辑辑 D0-D7 RD _ _ WR A0 _ CS A1 CLK0 GATE0 OUT0 CLK 1 CLK 2 GATE 1 OUT 1 OUT 2 GATE 2 图 2-9 8253 内部结构框图 (1) 8 位双向三态数据总线缓冲器，用于与的总线连接，通过这个缓冲CPU 器，可向 8253 写方式控制字，向某计数器写初值，读某计数器的计数值。CPU - - 1010 - - (2) 读/写逻辑，由它决定三个计数器和控制字寄存器哪一个可以工作，并 控制内部总线上数据传送方向。片选信号为高时读/写逻辑被禁止，但不影CS 响计数器现行工作。 (3) 控制字寄存器，当地址总线最低位为 11 时，这个寄存器才能工作， 10A A 它从数据总线缓冲器中接收控制字并寄存起来，这个寄存器中的控制字控制每 一个寄存器的操作方式。 (4) 三个计数器完全独立，每个计数器都可对输入脉冲按二进制或二十 进制从预制数开始减 1 计数。 8253-5 定时/计数器与单片机构成的系统如下： 74LS373 P2.7 ALE P0 RD WR CS A0 A1 D0-D7 CLK0 GATE0 CLK2 CLK1 GATE2 GATE1 RD WR 整形后频率信号 8253 +5V 图 2-10 8253 与单片机构成的系统框图 试验台体产生的脉冲信号经过放大整形后送到 8253-5 的输入端，三个门控 端通过一个电阻接到电源上，使之为高电平，即处于允许计数状态。三GATE 个输出端不用，为防止干扰，可通过电容接地。数据线与 8031 的 70 DD 相连，8253-5 的片选信号接 8031 的口，接地址锁存器 70 PP CS 7 . 2 P 10 AA 和 由 8031 的控制，8031 和 8253 间的其他数据、指令往来在控制线37374LSALE 、共同作用下完成。RDWR 8253 是可编程的定时器/计数器，每个计数器都有六种工作方式，每个计数 器的功能选定由控制字决定，编程的控制字由通过数据口送到 8253 的控CPU 制字寄存器。8253 的方式 4 为软件触发方式，当设置完初值后，计数器立即开 始计数，当减 1 计数到 0 后输出端变低一个输入时钟周期，然后又恢复为高电 平，计数器停止计数。计数器在方式 4 时是一次有效的，每一次计数都重要新 设置计数初值。在这里不取 8253 的输出，要的是计数器的计数值，因为 8253 是减 1 计数，把计数器的计数初值设置为，定时时间内的计数值为初FFFFH0 值与读得的终值的差。例计数器终值为，则计数值为：HF320 (2-6)FFFFH0HF320CDHF00 如果把读得的计数器终值取反则有： - - 1111 - - = (2-7)反320FCDHF00 所以不必做减法，直接把读得的计数器终值取反即可8。 2.4 输出模块设计输出模块设计 试验台滚筒的驱动是靠电机带动执行机构完成的，系统实现对交流电机的 控制是一个弱电控制强电的问题。采用内部带有光电隔离的固态继电器来实现 I/O 输出接口，控制电机的启停。 计计算算机机输输出出 数数字字信信号号 74LS373光光电电隔隔离离功功率率驱驱动动固固态态继继电电器器电电机机 图 2-14 固态继电器接口电路8 实际电路框图如图 2-14 所示，计算机输出的数字信号由 74LS373 锁存经光 电隔离芯片后，进入功率驱动芯片(MC1413)，由 37 芯 D 型孔头输出开关量信 号。功率输出时要求从机外提供+24V 或+12V 电源，开关量输出信号为共外电 源方式，不是共地方式，可直接驱动继电器。通过这个接口电路实现了系统弱 电对电机强电的控制，成功的实现了试验台电机启停的控制。 在上图所设计的系统中，功率驱动是由 MC1413 芯片来实现的，标准接线 方法如图 2-15 所示。外部需要驱动的信号由计算机输出数字信号后，经过 74LS244 进行接口驱动后，直接送入驱动芯片 MC1413 的输入端，再在 MC1413 的驱动下，驱动用户负载。 内部电源电源+12V 74LS244MC1413驱动输出 负载 计算机输出 控制信号 图 2-15 MC1413 标准接线方法 MC1413 是集电极开路的功放电路，将负载的一端（如继电器的输入线圈 一端）接入到 MC1413 的接线端子上，另一端接电源的正极。当施加到 MC1413 的电压信号为高电平时，三极管导通，电流从电源流过用户负载，通 过三极管流向地线；当施加到 MC1413 的电压信号为低电平时，三极管截止， 在用户负载上就不能有电流流过，从而使负载不工作。 2.5 系统软件设计系统软件设计 系统中的汽车到位判断是通过光电开关的电压来判断的；启动左、右电机 是由系统控制 I/O，然后控制固态继电器完成对强电的控制。图 2-16 把检测控 制部分的程序编写成块，以便其他过程调用。图 2-17 就是全过程的程序流程。 - - 1212 - - 延延时时，车车稳稳定定 启动A/D采集 分别启动左、右电机 提提示示松松刹刹车车 提示踩刹车 第三滚筒转速降 到标准？或 采集到最大制动值？ 或 延时2秒？ 停止左、右电机 显示测试数据 图 2-16 检测过程控制程序流程 - - 1313 - - 系系统统初初始始化化 是是否否有有车车到到位位 检检测测过过程程控控制制功功能能块块 提提示示驻驻车车制制动动检检 测测 测测试试结结构构合合格格 前前轴轴？后后轴轴？ 车车到到位位？ 第第二二次次? 检检测测过过程程控控制制功功能能块块 测测试试结结果果合合格格？第第二二次次? 下下一一工工位位忙忙？ 向向前前慢慢行行 等等待待 向向前前慢慢行行 否否 否否 是是 是是 前前轴轴 否否 否否 是是 否否 是是 否否 否否 是是 是是 是是 开始 全全过过程程结结束束 图 2-20 全过程的程序流程 - - 1414 - - 第三章第三章 系统抗干扰设计系统抗干扰设计 3.1 干扰的形成干扰的形成 形成干扰必须具备三个条件：干扰源、对干扰敏感的接收电路、干扰源到 接收电路的耦合通道。 干扰源干扰形成接收电路耦合通道干扰信号 图 3-1 干扰形成示意图 3.1.1 干扰源干扰源 凡是能产生一定的电磁能量，而且可能影响到周围电路正常工作的物体或 设备，都可以认为是电干扰源。干扰源一般可以分为三类： a、自然界的：如宇宙射线和雷电等； b、物质本身固有的：如物质本身所固有的热干扰和散粒干扰； c、人为的：主要由电气、电子设备造成。 3.1.2 耦合方式耦合方式 1、传导耦合 干扰信号经导线传播进入电路，我们称为传导耦合。大容量的用电设备在 启停时所产生的电压波动会从交流电源线直接影响电脑控制系统电源电压的稳 定性。此外，电路中较长的信号线还可能受邻近电路或空间电磁场的影响，在 导线形成干扰。 2、经公共阻抗的耦合 在电脑控制系统中，主计算机的 I/O 接口电路与各岗位的控制箱之间，为 了测量和控制，需要一个电位参考点，最简单也是最常见的就是地线作为参考， 由于导线存在电阻，这就形成了公共地阻抗。由于主机与各岗位电子设备相隔 一定距离，因而两端的地电位不可能完全相等，即两“地”之间的电位差就 G V 会叠加到信号电压上形成干扰。 S V 3、电磁场耦合 由于电路中元件与元件之间、导线与导线之间、导线与元件之间都存在着 分布电容，因此，某一导体上的干扰电压就会通过分布电容使其它导体上的电 位受到影响，这种现象我们称为电容耦合。 3.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施 硬件抗干扰主要采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制干扰。 常用的隔离措施有采用 A/D、D/A 与单片机进行隔离以及用继电器、光电隔离 器、光电隔离固态继电器(SSR)等隔离器件对开关量进行隔离11。 3.2.1 供电系统的抗干扰措施供电系统的抗干扰措施 1、要求整个检测系统单独供电。 - - 1515 - - 2、把机房内微机系统的供电与外面控制箱和各检测仪器的供电以及其它电 器三者分开供电。 3、微机房内宜用稳压性能较好的参数稳压器(500VA)，最好采用不断电源 (UPS)供电。而机房外的控制设备和检测仪要采用参数稳压器或普通交流稳压器 (1000VA)供电。 3.2.2 接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 1、接地线宜短且粗，以减少地电阻；同时把大电流电路和弱信号电路的地 线分开走线。 2、单点接地。即系统的地线分成三类：第一类为信号地，它包括小信号加 回路、逻辑的控制电路的信号地；第二类为功率地，它包括继电器、电磁阀、 大电流驱动电源等大电流、大功率电路的地；第三类为机壳地，包括设备机架、 机柜、箱体结构等金属结构地。这三类分别自成系统，最后才汇集于一点并与 大地相连，使整系统地处于地电位。 3.2.3 针对电磁场耦合及辐射干扰而采取的措施针对电磁场耦合及辐射干扰而采取的措施 1、尽量削弱干扰信号 首先对继电器、交流接触器的驱动电路采用耗能和限幅措施。其次，将所 有大功率交流负载的继电器都以控制箱为单元集中在一起，并用金属盒加以屏 蔽。最后，将继电器的驱动电流回路与其它的数字逻辑回路分开，使大电流在 箱内自成回路。 2、为切断电磁场耦合通道，所有信号线都采用屏蔽线，并将屏蔽层单端接 地。在走线方面，把信号与动力线分开布设，不能把电缆线的屏蔽层当作信号 线或公用线使用17。 3.2.4 接口电路的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施 1、滤波 滤波器是利用电容两端的电压不能突变的特性做成的。例如，为了消除开 关触点机械摩擦的抖动所造成的干扰，必须在 TTL 电路的开关输入回路中加入 滤波环节。其电路形式如下图。 TTL电路 +5v 图 3-2 滤波电路 2、去耦 所谓去耦，就是利用 RC 或 RL 滤波环节来消除或抑制直流电源回路因负载 变化引起的干扰。下图为多级放大器回路，其中 C1 是电源去耦电容，RC2 为 - - 1616 - - 级间去耦电路11。 第第一一级级放放大大电电路路第第二二级级放放大大电电路路 级级间间去去耦耦 电电源源去去耦耦 R C1C2 图 3-3 去耦电路 3.3 用软件消除干扰的方法用软件消除干扰的方法 3.3.1 软件抗干扰的提出软件抗干扰的提出 在实际应用中，由于大量干扰源的存在，虽然不足以破坏硬件，但是往往 能使系统工作不稳定、数据不可靠，程序飞逸，严重时计算机控制失灵，产生 事故。这些不稳定的因素常常产生于工作或者生产的全过程中。而且，这些干 扰信号大多是瞬时存在，时间间隔不确定，传播途径不清楚。由于故障的特点 是具有暂时性、间歇性和随机性，用纯硬件的办法较困难，使用较少。特别是 计算机软件办法能更好的解决这类干扰。 3.3.2 软件抗干扰的特点软件抗干扰的特点 一般在两种情况下需要用计算机软件技术去抗干扰。一种是为了提高效能、 节省硬件，从而用软件去取代硬件抗干扰技术；另一种是用软件去解决硬件解 决不了的问题。软件抗干扰是一种廉价、灵活、方便的方式。纯软件抗干扰不 需要硬件资源，不改变硬件环境，不需要对干扰源精确定位，不需要定量分析， 故实现起来灵活、方便，用于仪表及工业控制工程有很好的可靠性保证9。 3.3.3 设计合适的数字滤波程序设计合适的数字滤波程序 该技术既可称硬件仿真技术，又可属时间冗余技术。它不需要硬件，靠计 算机的高速、多次运算达到模拟并提高精度的目的。根据数据的性质不同，消 除干扰的软件滤波的方法也不同：对温度、压力等模拟量，可采取算术平均值 滤波，因其对高斯型的噪声的滤波有效；中值滤波对尖刺脉冲干扰、阶跃干扰 等模拟量有效；一阶滞后滤波由于采用了递推技术，对快速的干扰源滤波有效； 逻辑滤波用于开关量滤波，信号是二值状态，采用多数表决法，用逻辑与或逻 辑或作滤波结果。以上各项技术在应用时可相互配合使用。在分类上还可以归 并，如冗余技术归为容错技术等10。 3.3.4 提高系统的容错能力提高系统的容错能力 容忍错误反而能够提高可靠性的原理在于投入了更多的超过常规设计所需 的外加资源开销，从而换取了常规设计达不到的可靠性。外加资源开销（冗余） 包括：外加硬件（增加器件、增加线路整机或者接口） ，外加软件（如检错诊断 程序、双工切换程序等） ，外加信息码（检错纠错码、奇偶校验位、抗干扰码） ， - - 1717 - - 外加时间（重复执行指令、重复取数、重复执行程序）等。 软件容错技术的主要措施是信息冗余和时间冗余。 3.4 总结总结 硬件抗干扰发展的历史较长，理论和实践比较成熟，主要抗干扰技术有各 种接地处理、屏蔽和隔离、滤波、去耦、旁路等。硬件抗干扰抑制和消除了大 部分的干扰，但完全依靠硬件电路来消除所有的干扰是不可能的。软件抗干扰 发展较晚，目前还没有形成较完善的理论。但是，利用微机的记忆、快速计算 和逻辑判断功能，从软件方面进行干扰抑制和消除的研究，己逐渐受到人们重 视。 在实际应用中，往往结合硬件抗干扰和软件抗干扰技术，从而可以得到比 较理想的抗干扰效果。 - - 1818 - - 第四章第四章 数字处理方法研究数字处理方法研究 计算机测量用的被测信号一般都含有误差，如何将误差从被测值中去除， 如何减小测量结果中的误差含量，是常见数据处理问题之一。由误差理论，按 测量过程中所产生的误差性质，可将误差分为三类：系统误差、随机误差、过 失误差。对汽车检测设备而言，与其它计量器具相似，其测试误差基本上由系 统误差与随机误差两方面组成。 既然使用计算机进行测量，应当充分发挥计算机的作用，可从软件方面采 取措施来提高采集效率，改善数据处理效果。 4.1 曲线拟合曲线拟合 在汽车制动性能的检测中，关键是对汽车制动时其制动力变化全过程的检 测，通过对制动力变化全过程数据的采集、处理和分析，得出反映汽车制动性 能指标的各项参数，最终按国家标准对汽车制动性能进行评价，进而分析判断 制动系存在故障的部位。但是，在一般的汽车检测控制系统中，由于机械台架 结构、传感器的非线性以及检测现场的各种干扰信号的影响等因素，导致系统 采集的数据无法完全真实地反映制动力变化的过程，采集得到的制动力变化曲 线出现锯齿现象，严重影响到各项指标的测试精度和评价结果的准确性。下面 是在制动力检测过程中模拟信号数字化处理后得到的一组典型的试验数据,记作 如表 4-1 所示。 m iii yx 1 ),( 目前常见的一些曲线拟合方法中，对各个物理量的处理有失公平性原则， 通常是在处理中确保某一个物理量的拟合误差达到“最小”，而没有考虑到其它 物理量的拟合误差。 数据拟合实质是数值逼近的一个分支。该设计中作为逼近工具的函数类应 具有下述性质13： (1)函数类中的函数相对光滑； (2)易于计算机实现； (3)逼近函数对原始数据有良好的近似。 - - 1919 - - 表 4-1 数字化后制动力试验数据 i x2.33.7556.256.558.1911.512.514151719 i y-4025-20485200-5510-1050-8080 i x2021.522.524.1262728.53031.833343637 i y-38551040-1558-2070-35100205525 i x3839.54244.847.248.249.15152.55457.558.762 i y277590900745760640650595645655530680 i x64.565.56871.372.574.576.377.58080.881.281.482.5 i y60064062066563063065057561527580-50-50 4.1.1 拟合曲线的优化算法拟合曲线的优化算法 由于制动力数据的拟合函数类型未知，解决的办法是作出分段多项式，但 这时函数的光滑性显然不良；采用样条函数拟合，理论上完全可行，但是在该 设计的实际中，主要问题是某区间节点过多，曲线不理想。如果人为减少某区 间节点数，那么逼近函数对原始数据的近似性将受到影响。针对这些问题，优 化算法的主要思想是利用三次样条曲线重要性质中的反算拟合性质，根据给B 定点反求它的控制点，再依这些控制点画出三次样条曲线。B 该试验数据优化关键问题是如何求得这些控制点。方法是每段按其数据分 布特点，构造相应段拟合函数，节点处的值作为控制点，采用)(xf)( i xf 符号便于同试验数据中的区别，最后对数据组采用样)( i xf i y m iii xfx 1 )(, B 条函数拟合，式中的值代表整条曲线划分的段数。该设计中将制动力试验数m 据分为五段：，如图 4-1 所示。 EFDECDBC、AB 图 4-1 制动力试验数据样条拟合曲线B 4.1.2 拟合曲线的优化算法拟合曲线的优化算法 由于制动力数据的拟合函数类型未知，解决的办法是作出分段多项式，但 这时函数的光滑性显然不良；采用样条函数拟合，理论上完全可行，但是在该 设计的实际中，主要问题是某区间节点过多，曲线不理想。如果人为减少某区 间节点数，那么逼近函数对原始数据的近似性将受到影响。针对这些问题，优 - - 2020 - - 化算法的主要思想是利用三次样条曲线重要性质中的反算拟合性质，根据给B 定点反求它的控制点，再依这些控制点画出三次样条曲线。B 该试验数据优化关键问题是如何求得这些控制点。方法是每段按其数据分 布特点，构造相应段拟合函数，节点处的值作为控制点，采用)(xf)( i xf 符号便于同试验数据中的区别，最后对数据组采用样)( i xf i y m iii xfx 1 )(, B 条函数拟合，式中的值代表整条曲线划分的段数。该设计中将制动力试验数m 据分为五段：，如图 4-2 所示。EFDECDBC、AB 图 4-2 制动力试验数据样条拟合曲线B 4.1.3AB段拟合函数的构造段拟合函数的构造 对于段数据，根据图 4-2 的曲线特征，从表 4-1 中取出前 29 组数据AB ，根据数据分布特点，选用二次多项式作为拟合函数，通过计291),(iyx ii 算机运算，最小二乘拟合多项式为： (4-1)1147 . 2 0591 . 0 0352 . 0 2 xxy 以式(4-7)作为反算函数，表 4-1 中为节点，得到段控制点，见表 4-2。 i xAB 表 4-2 反算出的段控制点AB),( ii yx i x 2.33.7556.256.558.1911.512.514151719 i y -2.1-1.8-1.5-1.1-1-0.30.21.92.64579.5 i x 2021.522.524.1262728.53031.833343637 i y 10.812.914.316.9202224.827.829.534.336.641.443.9 i x 383941 i y 46.549.154.6 4.14BC段拟合函数的构造段拟合函数的构造 根据无噪声条件下段曲线特点，采用一次最小二乘逼近。经过计算机BC 运算一次函数拟合式为14： (4-2)1270057.303xy - - 2121 - - 以式(4-2)作为反算函数，得到段控制点。见表 4-3。BC 表 4-3 反算出的段控制点BC),( ii yx i x42.743.444.144.8 i y262.4474.9687.4900 其它段控制点的算法与、段算法相同，不再赘述。ABBC 4.15 优化后制动力曲线优化后制动力曲线 根据上述优化算法，最后得到所有控制点集，依这些控制点 m iii xfx 1 )(, 画出三次样条曲线，如图 4-3 所示。B 图 4-3 优化前后制动力曲线对比 4.2 FIR 数字滤波器的设计数字滤波器的设计 数字滤波技术是数字信号处理中应用广泛的一种线性系统环节。相对于传 统的模拟滤波器，数字滤波器有滤波精度高、稳定性高和灵活性高的优点。数 字滤波器按单位脉冲响应的不同可分为无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器和有限 长单位脉冲响应(FIR)滤波器。其中，FIR 滤波器可以在幅度特性随意设定的情 况下，保证精确严格的线性相位特性，且不存在不稳定问题。滤波是必要的抗 干扰措施之一。考虑到数字滤波器的上述优越性，采用数字滤波器。 4.2.1 FIR 结构简介结构简介 当有限冲激响应(FIR)滤波器的输入为冲激序列时，其输出为有限序列，该 序列称为滤波器的冲激响应。FIR 的基本结构是一个分节的延时线，把每一节 的输出加权累加，得到滤波器的输出。数学上表示为 (4-3) )( 1 0 inxihny N i - - 2222 - - 、分别是输出输入序列，是滤波器的冲激响应，N 是的长度。 ny nx nh 式(4-1)由于冲激响应系数 h(n)具有对称特性，因此阶数为偶数时具有偶对称， 即令，式(4-1)可改写为)1()(iNhih)1()()(iNxixiS (4-4) 12 0 )( N i inSihny 改进后 N 次乘法减少为次，加法次数增加了，总的运算量得以减2N2N 少。 4.2.2窗函数的选择及程序框图窗函数的选择及程序框图 为减小滤波器的截断效应，选择海明窗函数。窗函数法设计 FIR 滤波器的 步骤10为： a、根据技术要求确定待求滤波器的理想单位取样响应； b、选择窗函数，并估计窗口长度； c、计算滤波器的单位取样响应，即系数 h(i)； d、验算技术指标是否符合要求 如果有必要的话，重复上述步骤 b-d，可以实现滤波器。 开开始始 读读入入窗窗口口长长度度N 计计算算hd(n) 调调用用窗窗函函数数子子函函数数w(n) 计计算算h(n)=hd(n)w(n) 调调用用子子程程序序（函函数数）计计算算H(k)=DFTh(n) 调调用用绘绘图图子子程程序序（函函数数）绘绘制制H（k）幅幅度度相相位位曲曲线线 结结束束 图 4-4 用窗函数法设计滤波器主程序框图 - - 2323 - - 第五章第五章 系统调试系统调试 5.1 制动过程分析制动过程分析 在制动过程中，制动力变化如图 5-1 所示。当驾驶员听到“踩脚刹车”命 令后，经时间才意识到应进行制动行为。因每个人的反应听力、动作协调 1 t 1 t 快慢的不同而不同，一般为 0.31.0s。驾驶员踏住制动踏板后，踏板力迅速增 加，但由于制动器的蹄片与制动鼓之间存在间隙，要经过时间才能使汽车开 2 t 始减速，不同的车辆也不相同，一般取 0.1s。称为制动力协调时间，包括 2 t 3 t 制动传动机构迟滞时间和制动力增长时间，一般为 0.20.9s。是制动力达到 4 t 最大之后稳定维持的时间，这段时间可由程序控制。驾驶员松开踏板后，制动 器制动力的消除还需要一段时间，记为。 5 t t1 驾驶员反应时间 t2 制动传动机构迟滞时间 t3 制动力协调时间 t4 制动力作用时间 t5 制动力下降时间 检测时间t/s 制动力Q/N 图 5-1 制动变化曲线16 5.2 系统调试系统调试 5.2.1 静态调试静态调试 当完成绘图制版工作并且拿到印刷电路板，准备焊接元器件及元器件管脚 座之前，应进行静态调试，主要应做好以下的工作： 在未焊上各元器件及元器件管脚座之前，首先用眼睛或用万用表直接检查 线路板各处是否有明显的断路、短路的地方，尤其要注意电源是否短路。元器 件在焊接过程中要逐一检查，例如二极管、三极管、电解电容的极性，电容的 容量及耐压，元件的数值是否正确等等。 元件及管座焊接完毕，还要仔细检查元件面及各元件之间裸露部分有无相 互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点与近邻线有无连接，对布线较密或未加 阻焊处理的印刷板更应注意检查这些可能造成短路的原因。 完成上述检查后，先空载（不插芯片）上电，检查电路板各管脚及各插座 引脚的电位是否正常，特别是各点电位（若有高压，联机调试时会通过仿真线 - - 2424 - - 进入仿真系统，可能损坏仿真系统） 。若一切正常，将芯片插入各管座，再通电 检查各点电位是否达到要求，逻辑电平是否符合电路或器件的逻辑关系。若有 问题，掉电后再认真检查故障原因。 5.2.2联机仿真调试联机仿真调试 联机仿真调试的方案是：把整个测控系统按其功能分为若干模块，