（交通信息工程及控制专业论文）汽车检测微机控制系统的开发.pdf

摘要 随着我国机动车数量的迅速增长，为了保障交通安全，对汽车进行定期性能检测变 得越来越重要，也越来越普遍了。本系统是面对大型修理厂和小型检测线的需求所设计， 在汽车的单项检测技术上已经趋于成熟且汽车性能检测在智能化方面也有长足的发展 的基础上，研究一种成本低、通用性强、体积小、结构简单、可靠性高、能满足用户不 同需求的汽车检测线。 本文综述了开发汽车检测微机控制系统的目的，意义以及研制的内容。分析国内外 汽车检测系统的发展趋势和现状，给整个系统方案提供了一个基本的参考和比照，提出 了系统总体功能模型和相应的功能模块的划分。在对比现有的汽车检测线模型的基础 上，提出了系统基于p c i 0 4 单片机的总体结构模型，并对其底层硬件包括各试验台信号 调理模块、系统主控单元、a d 转换模块和i o 接口电路进行了详细的设计，同时针对 要实现的功能对下位机软件进行了编码。该系统以工业p c 作为上位机，对其上位机软 件的各个模块进行了研究和设计，并且以通讯模块为例给出了编程实现。 本系统研制的汽车检测微机控制系统使得系统成本降低，并能检测车辆中的主要参 数，上位机又采用了面向对象的软件设计方法，使得系统的具有配置灵活、易扩展、通 用性好的优点。 关键字：汽车检测、p c i 0 4 总线、控制与管理 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho ft h eq u a n t i t yo fv e h i c l ei no u rc o u n t r y , i no r d e rt oe n s u r et h e t r a f f i cs a f e t y , i tb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oe a r l yo nm e a s u r i n gf i x e dp e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l e f a c i n gm a j o rr e p a i rs h o pa n ds m a l ld e t e c t i o nl i n ed e m a n dt h i ss y s t e mi s d e s i g n e d b a s e do nm a t u r i n go fv e h i c l ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n c eo fa u t o m o b i l e p e r f o r m a n c ei n s p e c t i o n ，t h ev e h i c l ei n s p e c t i o nl i n ei sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , w h i c hi s l o w c o s t ，b e t t e rc o m m o n a l i t y , s m a l ls i z e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n dm e e t sk i n d so f n e e d so f v e h i c l ei n s p e c t i o n t h i sp a p e rr e v i e w st h e p u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so fd e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l ed e t e c t i n gm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m a n a l y z i n gt h et r e n da n dc u r r e n ts i t u a t i o n o fa u t o m o b i l ed e t e c t i o na th o m ea n da b r o a d ，f u n c t i o nm o d e lo ft h i ss y s t e mi sp u tf o r w a r d i n c o n t r a s tt ot h em o d e l o fe x i s t i n gv e h i c l ed e t e c t i o nl i n e ，b a s e do np c10 4b u ss c ms t r u c t u r e m o d e li sp u tf o r w a r d ，t h i ss y s t e ma n a l y z e sa n dd e s i g n sh a r d w a r eo fs l a v ec o m p u t e r , i n c l u d i n g t h et e s ts i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，t h es y s t e mc o n t r o lu n i t ，a dc o n v e r t e rm o d u l ea n dy o c o u p l e ri n t e r f a c ec i r c u i t a n dt h es o f t w a r eo fs l a v ec o m p u t e ri sa l s od e s i g n e d t h i ss y s t e m r e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e m ，a n dg i v e st h ee x a m p l eo f p r o g r a m m i n gc o m m u n i c a t i n gm o d u l e t h ec o s to ft h i sv e h i c l ei n s p e c t i o nl i n er e d u c e so b v i o u s l y , a n dt h em a j o rp a r a m e t e rc a n b ed e t e c t e d t h i su p p e rc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e ma d o p t so b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e s i g n m e t h o d ，w h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e ，s u c ha s ：f l e x i b l ei nc o n f i g u r e ，e x t e n s i b l e ，c o m m o n k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ed e t e c t i o n ；p c 10 4b u s ；c o n t r o la n da d m i n i s t r a t i o n l i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 徐斌伽7 年j 月疗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 沙1 年f 月万h 叩年j 月瑚日 嫡备弋 徐沈 ， v 长安大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 随着现代社会的不断进步，人类愈来愈离不开汽车。然而，随着汽车数量的急剧增 加，道路安全以及由于汽车排放废气与噪声引起的环境污染问题引起人们的广泛关注。 尽管影响交通安全的原因是多方面的，但由于汽车性能状况的变坏而引发的道路交通事 故占相当大的比例，而汽车排放废气与噪声造成的环境污染亦与汽车性能状况( 如发动 机性能状况、整车装配质量等) 不佳有直接的关系【l 】。为了能有效地控制汽车的安全行驶， 并减少对环境的污染，定期的对汽车的性能状况进行检测就显得非常有意义。 早期的汽车维修方式采用“事后维修”和定期保养，带来了一系列的问题。前者隐 含着对人身安全的威胁和造成重大财产损失的危机，后者则往往造成盲目修理和失修现 象。在汽车检测技术水平十分低下的条件下，这两种维修方式都是可行的，随着制造工 艺改进，汽车寿命延长；过去那种维修方式很不适应今天的形式。目前，广泛采用了“视 情维修”制度【2 1 ，它能最大限度的发挥零件的使用潜力，减少了不必要的拆卸，大大提 高了机器的可靠性和使用经济效益。既可避免事后维修的滞后性，又可避免定期保养的 盲目性然而，这一维修制度的实施是以先进的汽车检测技术为前提的，显然，如果没有 一定的检测手段，要实现“视情维修只是一句空话。 随着汽车工业的发展，使得汽车的保有量迅速增长。目前，我国汽车产量已达到 3 5 9 多万辆，汽车保有量的增加，维修任务相应加大从另一方面来看，汽车结构日益复 杂 3 1 ，例如，1 9 7 0 年美国平均每辆小汽车电子装置价值2 5 美元而1 9 8 5 年已迅速上升到 9 0 0 美元现在小轿车电子装置己超过4 0 0 0 美元。由此产生的后果是熟练的汽车维修工 严重短缺，单纯凭经验进行汽车维修已不能适应现代汽车技术的要求。 在车辆技术保障中，据资料统计，检测汽车各项性能并判断故障的时间为7 0 左右， 而排除与维修的时间占3 0 。车辆结构日益复杂，使得地位越来越重要。 可以这样说，在车辆技术保障中，离不开汽车检测技术。没有检测技术，汽车技术 保障系统中缺少一个重要的环节，车辆的技术状况就不能迅速的恢复，车辆维修保障体 制就只会停留在事后维修和定期维修的方式上。所以，汽车检测技术在汽车技术保障中 处于十分关键性的地位。 随着机动车保有量的增加，公路交通事故和对环境的污染成为愈来愈不可忽视的社 会问题。交通事故伤亡严重，造成的经济损失十分惊人。因此国家强制性规定对汽车进 行定期和不定期的安全环保检测【4 l ，采用先进的仪器对车辆的技术状况做出准确地判 断，是确保交通安全的有效措施。 1 2 国内外研究现状 汽车从发明到今天已经一个多世纪了，汽车本身又是一个复杂的系统，随着行驶里 程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断恶化。因此，一方面要不断研制性能优 良的汽车另一方面要借助维护和修理，恢复其技术状况。 汽车综合性能检测就是在汽车使用、维护和修理中对汽车的技术状况进行测试和检 验的一门技术。 汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人们主要是 通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。即过去人们常讲的“望( 眼 看) 、“闻( 耳听) 、“切( 手摸) ”方式【5 1 。随着现代科学技术的进步，特别是 计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。目前人们能依靠各种先进的仪器设备， 对汽车进行不解体检测，而且安全、迅速、可靠。 1 2 1 国外机动车检测发展概况 汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，在上世纪5 0 年代以前，国外就开发了 以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设备。6 0 年代初期就有美 国的发动机分析仪、英国的发动机点火试验仪进人我国。这都是国外早期发展的汽车检 测设备和仪器检查的第一个阶段，即检测、诊断设备是以机械结构为主，单机人工操作。 虽然检测、诊断设备和仪器结构较简单，测试精度也不高，但己从过去的人工定性检查 进化为设备、仪器的定量检测，从现场或路试发展为相关性台架试验，不仅省时省钱而 且在检测数据精度上，也是一个质的飞跃。 随着科技进步，国外汽车检测设备在自动化、精确化和综合化等方面有了新的发展， 应用新技术，开拓新的检测领域，研制出许多新型检测设备和仪器，进入检测技术发展 的第二个阶段。国外大量开发出应用电子、光学，理化与机械相结合的光机电、理化机 电一体化的检测、诊断设备，并与单板机、单片机或微型计算机相结合，使检测、诊断 设备首先走向单机自动化。例如非接触式速度计、前照灯检测仪、车轮定位仪和尾气分 析仪等。7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测自动化，数据采集处 2 长安大学硕士学位论文 理自动化，检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪和设备。 第三个阶段是汽车检测设备智能化，汽车检测线自动化、智能化和网络化阶段。随 着电子计算机应用技术的发展，汽车检测设备向智能化方面发展，出现了一些具有智能 化功能的检测设备，它们能对设备本身和汽车技术状况进行检测，并能判断故障发生的 部位引导维修人员迅速排除故障。例如：国外生产的汽车制动检测仪、全自动前照灯检 测仪、发动机分析仪、发动机诊断仪、计算机四轮定位仪等检测设备，都具有较先进的 全自动功能。进入8 0 年代后，计算机技术在汽车检测技术领域的应用进一步向深度和 广度发展，已出现集检测工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的系 统软件，使汽车检测线实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错误，提高检测准 确性而且可以把受检汽车的技术状况储存在计算机中，既可作为下次检验参考，还可供 处理交通事故参考。 1 2 2 国内机动车检测发展概况 我国的汽车检测测控系统起步较晚。由于各种原因，在解放后的三十多年中机动车 的安全性能检测一直处于靠“耳听、眼观、手摸”的落后状态。 从1 9 8 0 年起，随着国民经济的迅猛发展，尤其是机动车工业和道路交通运输事业 的高速发展，我国的机动车保有量迅速增加。大量的机动车所导致的交通安全和环境保 护等社会问题日益突出，从而促进了机动车安全性能检测系统的大力发展。交通、公安、 机动车制造企业、外贸、石油、冶金和部分大专院校相继建成了一批固定或流动的机动 车安全性能检测系统。在全国范围内已经初步形成了二个机动车安全性能检测体系。这 一时期的测控系统的技术特点是以单板机、单片机技术的应用为主，检测过程已实现自 动化控制。 进入9 0 年代后，随着工业控制计算机应用的普及，测控系统得到了进一步的发展。 这一阶段的技术特点是主要使用以计算机集中式控制方式或是以单片机为核心的单机 仪表与计算机联合构成集散式控制方式。这一时期的测控系统在完善检测过程自动化的 基础上，初步具备了一定的信息管理功能。 九十年代中后期，随着工业p c 性能价格比的进一步提高，出现了全面应用工业p c ， 采用分布式控制方式的高性能、高稳定性的新一代测控系统，进一步缩短了我国与发达 国家之间的差距。 3 1 2 3 机动车检测技术发展方向 我国汽车综合性能检测经历了从无到有，从小到大从引进技术、引进检测设备，到 自主研究开发推广应用从单一性能检测到综合检测，取得了很大的进步。尤其是检测设 备的研制生产得到了快速发展，缩小了与先进国家的差距。如今汽车检测中通用的制动 试验台、侧滑试验台、底盘测功机等，国内已自给自余，而且结构形式多样。我们虽然 已经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定距离【6 】。 1 汽车检测技术基础规范化 我国检测技术发展过程中，普遍重视硬件技术，忽略或是轻视了难度大、投入多、 社会效益明显的检测方法、限值标准等基础性技术的研究。随着检测手段的完善，与硬 件相配套的检测技术软件将进一步完善。 今后我国应重点开展下述汽车检测技术基础研究：制定和完善汽车检测项目的检测 方法和限值标准，如驱动轮输出功率、底盘传动系的功率损耗、滑行距离、加速时间和 距离、发动机燃料消耗率、悬架性能、可靠性等制定营运汽车技术状况检测评定细则， 统一规范全国各地的检测要求和操作技术制定用于综合性能检测站的大型检测设备的 形式认证规则，以保证综合性能检测站履行其职责。 2 汽车检测设备智能化 目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术，并采用计算机测控， 有些检测设备具有专家系统和智能化功能，能对汽车技术状况进行检测，并能诊断出汽 车故障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障。 我国目前的汽车检测设备在采用专家系统和智能化诊断方面与国外相比还存在较 大差距。如四轮定位检测系统，电喷发动机综合检测仪等等，还主要依靠进口。今后我 们要在汽车检测设备智能化方面加快发展速度。 3 汽车检测管理网络化 目前我国的汽车综合性能检测站部分已实现了计算机管理系统检测，虽然计算机管 理系统采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式千差万别。即使采用计算机网络 系统技术的，也仅仅是一个站内部实现了网络化。 随着技术和管理的进步，今后汽车检测将实现真正的网络化( 局域网) ，从而作到 信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享。在此基础上，利用信息高速公路将全国 的汽车综合性能检测站，联成一个广域网，使上级交通管理部门可以即时了解各地区车 辆状况。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 智能化汽车检测仪表特点 汽车检测中的常用的设备，包括制动、车速、侧滑、轴重、废气、研读、声级、灯 光试验等设备以及滑动、动平衡、发动机综合检测设备，其测量结果通过检测设备的智 能仪表显示出来。 所谓智能化一般是指以微处理器为基础而设计制造出来的一代新型仪表。由于增加 了微处理器，可大大增强仪表的性能，简化仪器仪表的电路，从而使仪器的结构和功能 发生了根本的变革，如智能化仪表不仅能进行测量，而且能储存信号和处理数据，同时 在自动化系统中接受内部或外部的控制指令。智能仪表是以微处理器作为控制单元，经 过精心设计把仪表中的各个测量环节有机地结合起来，克服了数字仪表离不开人为操作 的缺点，赋予了它某些计算机所特有的功能【7 1 。 由于智能仪表的核心部分c p u 不仅能自动完成一般数学仪表的各种调节，而且还 往往可在测量过程中完成某些附加测量条件。这都是数字仪表所力不能及的，但对智能 仪表来实在是轻而易举的事。 由此看来，智能仪表的功能要比数字仪表的功能强的多。归纳起来，智能仪表与数 字仪表相比有如下特点： 1 ) 自动零校准和自动精度校准。为了消除由于环境参数的变化，使反大气的增益 发生变化所造成的仪表零点漂移，智能仪表设置有自动零位校准功能，它是采用程序控 制的方法，在输入接地的情况下，将漂移电压存入随机存储器r a m 中，经过运算即可 从测量值中消除零位偏差。 2 ) 自动量程的切换。智能仪表中量程切换一般是通过软件来实现的。编制软件采 用逐级比较的方法，从高量程到底量程自动进行，一旦判定被测参数所属量程，程序即 自动转移，从而完成量程切换。 3 ) 功能自动选择。智能仪表中的功能选择实际上是在数字仪表上附加时序电路， 是用一个a d 采集多通道的信号，在程序控制下，通过电子开关来实现。只要智能仪表 中的各功能键进行统一编码，然后c p u 发送各种控制字，通过接口芯片来控制各个电 子开关的开启或关闭，这样在测量过程中仪表能自动选择或自动改变测量功能。这种功 能的改变完全可以由用户事先设定，在程序中发送不同的控制字，相应的电子开关便接 通，这样就实现了功能的自动选择。 4 ) 自动数据处理和误差修正。智能仪表有很强的数据处理能力。例如按线性关系、 5 对数关系及乘方关系求取测量值相对于基准值的各种比值，以及进行各种随机量的统计 规律的分析和处理求取测量值的平均值、方差、标准偏差值、均方根值等。对于系统误 差的修正，由于往往事先知道被测的修正量，故在智能仪表中，这种误差修正更为简单。 5 ) 自动定时控制。自动定时控制是某些测量过程所需要的。智能仪表实现自动定 时控制有两种方法，一种是硬件完成，通过某些硬件定时器，向c p u 发出定时信号， c p u 会立即响应，并进行处理另一种是用软件达到延时的目的，用户在使用中只要给定 各种时间常数，通过反复调用这些子程序，就可实现自动定时控制。这种方法简单，不 需要增加硬件，但精度不高。 1 4 复合式汽车检测仪表的设计目标 在我国的大中城市，汽车自动检测线已相当普遍。这些主流汽车检测线主要面对大 的质检部门或是一些汽车制造商，一般由多台计算机联网组成，每台计算机控制一个或 多个工位，最后由主控机给出检测结果。自动检测线自动化程度高，检测速度快，但成 本高。在一些大型的汽车修理厂或是一些经济欠发达地区，财政紧张，要花费数十万元 购买一套自动检测线是很困难的，建立一种低成本，易于实行的单工位汽车检测线势在 必行。因此，本系统就是在汽车的单项检测技术上已经趋于成熟且汽车性能检测在智能 化方面也有长足的进展的基础上，研究一种通用性强、体积小、结构简单，可靠性高、 能满足用户不同需求的汽车检测线。 本课题所研究的复合式汽车检测仪表是根据目前国内市场需要，按照国标 g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 营运车辆综合性能要求和检验方法，结合当代计算机、自动控制等学 科发展最新技术，设计开发出的组合式智能仪表。 反力式汽车制动轴重检验台、侧滑检验台、车速表检验台可以检测轴重2 0 0 1 0 0 0 0 k g 的各种四轮车辆的性能。复合式汽车检测仪表既可单独控制一个检测台，又可作为四个 检测台的复合仪表使用【引。除此之外，还设有扩展简易检测线所需要的i o 接口和模拟 量输入接口。 其信号处理过程由计算机控制，可直接显示左、右车轮的重量，左、右轮制动力的 最大值，左、右轮的制动不平衡比及拖滞力等此外，还可以测量汽车侧滑量、汽车车速 等。本仪表还设有2 个串行通信接口，其中1 个r s 4 8 5 接l e d 电子显示屏，1 个r s 一2 3 2 串行通信接口和上位计算机相连，组成全自动汽车检测系统。 6 长安大学硕士学位论文 该仪表应具有结构紧凑，易于操作使用，检测过程迅速准确等特点，仪表采用多台 设备复合结构，设有检测过程指示和结果显示以及防剥伤轮胎自动停车装置。 该仪表的设计目标要达到以下几点： 1 ) 高起点、高标准、高可靠性。 2 ) 整条检测线布局合理、美观大方。 3 ) 充分运用汽车检测技术、电子学、自动控制和计算机各学科最成熟的先进技术。 4 ) 符合国家制定的机动车安全检测标准。 7 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 试验台的基本结构及工作原理 汽车安全检测设备的研究开发设计和制造必须遵照国家标准( g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 ) 营运 车辆综合性能要求和检验方法中的规定，现把本四合一智能仪表的各试验台的主要技 术参数及功能特性简述如下。 2 1 1 车速试验台功能特性及技术参数 车速表是驾驶员在行车时控制车速的一个主要参照。如果车速表的指示误差过大， 驾驶员就难以正确控制车速，极易因车速过高而导致交通事故。为此，车速表的指示精 度与行车安全有着密切关系，是汽车安全性能检测中的一个重要项目。 台架试验法是在滚筒式车速表试验台上进行，本节将着重介绍车速表试验台的构 造、测量原理与测量方法。 1 、误差的形成和评价标准 车速表是利用磁电互感作用控制指针的摆动来指示汽车的行驶速度。车速表由可转 动活动盘、转轴、轴承、齿轮、游丝等零件和磁性元件组成。汽车行驶速度矿可用下式 计算： v ：0 3 7 7n r 七 2 0 k ( 2 1 ) 上式中： y 汽车行驶速度，k m h ； 发动机转速，r m i n ； 车轮滚动半径，m ； 乇主减速器传动比； 变速器传动比。 由上式可以看出，汽车实际行驶速度与车轮滚动半径有关。汽车轮胎在使用过程中， 随行驶里程的增加而逐渐磨损，其滚动半径将同渐减小。在变速器输出轴转速不变的情 况下，汽车的实际行驶速度会因轮胎滚动半径的变化而变化，而车速表的软轴是与变速 器或分动器输出轴相联的，因此车速表的指示值与实际车速就会形成误差。另外，车速 8 长安大学硕士学位论文 表中磁性元件的磁性变化和零件的磨损也会形成车速表的误差【9 1 。 根据g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 的规定，车速表允许误差范围为+ 2 0 5 。即：当实际车速 为4 0 k m h 时，车速表指示值应为3 8 k m h , - - 一4 8 k m h 。而在具体台架检测时，实施的方法 为：当该车辆车速表的指示值( v 1 ) 为4 0 k m h 时，车速表试验台速度指示仪表指示值 ( v 2 ) 为3 3 3 k m h - - 4 2 1 k m h 范围内为合格。超过上述范围，车速表的指示均为不合 格。 2 、车速表试验台的结构和工作原理 常见的车速表试验台有两种类型：无驱动装置的从动型和有驱动装置的驱动型。目 前主要使用的都是从动型试验台，其结构图如2 1 所示。 1 一机架；2 一从动滚筒；3 一带座轴承；4 一万向节联轴器；5 一挡轮；6 一举升板； 7 一气控元件；8 一转速传感器；9 - - 主动滚筒：1 0 一气囊；1 1 一滚珠导向装置；1 2 - - 光电开关 图2 1 从动型车速表试验台 该试验台由机架、滚筒、速度传感器、测控仪表、举升器、滚筒锁止机构等部分组 成。滚筒一般为4 个，直径为1 8 5 m m ，通过滚动轴承安装在试验台的框架上。为了避 免试验时汽车差速器齿轮的自转，试验台的两个前滚筒用联轴器连在一起。为使汽车进、 出试验台方便，在前后滚筒之间通常设有举升器。它与滚筒锁止机构联动，举升器升起 时，滚筒被锁住，不会产生转动。 车速表的转速信号多数汽车取自变速器或分动器，但对于后置发动机的汽车，如车 速表软轴过长，会出现传动精度和寿命等方面的问题，因此转速信号取自前轮。 在用车速表试验台检验车速表时，将被测车轮置于滚筒上旋转来模拟汽车在路面上 第二章系统总体方案设计 行驶时的实际状态。测控仪表将速度传感器输出的电压信号，根据滚筒直径与转速计算 出滚筒的线速度，并以“k m h 为单位在仪表上进行指示【l o 】。滚筒转动的线速度的计 算公式如式( 2 。2 ) 所示。 y = 票6 0 1 0 刀 6 ( 2 2 ) 式中： v 一滚筒的线速度，k m h ； d 滚筒直径，i l l n l ； 卜滚筒转速，r m i n 。 因车轮的线速度与滚筒的线速度相等，故上述的计算值即为汽车的真正车速值，该 值在试验时由试验台上的速度指示仪表显示。 车轮在滚筒上转动的同时，车速表的软轴也由变速器或分动器输出轴带动旋转，并 在车速表上显示车速值，即车速表指示值。将上述试验台上速度指示仪表上显示的真正 车速值与车速表上显示的车速指示值相比较，即可测出车速表的误差。 2 1 2 轴重制动试验台功能特性及技术参数 汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，是行车安全的重要保障。汽车的制动性能 包括汽车的行车制动性能和驻车制动性能两个方面。其中，行车制动性能是指当汽车在 良好路面上以一定速度行驶时，能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时 能维持一定车速的能力【1 1 】。驻车制动性能是指汽车在一定车道上能长时间停车不动的能 力。 台架检验具有快速、精确、经济、安全等优点。测试时不受气候、场地、操作人员 等外界因素的影响，重复性好，并可测量各轮制动的全过程的准确数据，为汽车制动系 的故障诊断提供了重要依据。但是台架检验也存在着诸如建造成本高【1 2 1 ，需要较大的厂 房和设备投资等缺点。另外，检测结果受台架结构和检测方法的影响较大。 1 、台式检验的有关指标 进行台式检验时，主要涉及到制动力、制动力平衡、车轮阻滞力及驻车制动性能等 指标。下面对各个指标及相关要求逐一加以介绍。 根据g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 的相关规定，汽车在制动试验台上测出的制动力应符合表2 1 。 l o 长安大学硕士学位论文 表2 1 台式检验的有关指标 制动力总和与整车轴制动力与轴荷的 车辆类型重量的百分比 百分比 空载满载前轴后轴 汽车、汽车列车、无轨 芝6 0芝5 0 芝6 0 1 ) 电车和四轮农用运输车 1 ) 空载和满载状态下测试均应满足此要求。 在制动力增长全过程中同时测得的左右轮制动力差的最大值，与全过程中测得的该 轴左右轮最大制动力中大者之比，对前轴不得大于2 0 ，对后轴在后轴制动力大于等于 6 0 时不得大于2 4 ；当后轴制动力小于后轴轴荷的6 0 时，在制动力增长全过程中 同时测得的左右轮制动力差的最大值不得大于后轴轴荷的8 0 。 在台式检验中，制动协调时间是指在紧急制动时从踏板开始动作至车辆制动力达到 表2 1 规定的车辆制动力7 5 时所需得时间。根据g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 的规定，单车的制动 协调时间应不大于0 6 s ，汽车列车的制动协调时间应不大于0 8 s t l 3 】。 对制动力进行台试检验时，车轮各轮的阻滞力均不得大于该轴轴荷的5 。 对驻车制动性能进行台试检验时，车辆应空载，乘坐一名驾驶员，使用驻车制动装 置，驻车制动力总和应不小于该车在测试状态下整车重量的2 0 ；对总质量为整备质量 1 2 倍以下的车辆，此值为1 5 。 这里需要指出的是当车辆经台架检验后对其制动性能有质疑时，可用路试检验方法 进行检验，并且以满载路试的检验结果为准。 2 反力式滚筒制动试验台的工作原理 反力式滚筒制动试验台主要是通过电机拖动滚筒反转，测量当汽车制动时，阻碍滚 筒反转的力的大小，来检测汽车的制动性能。这种试验台具有测试条件稳定，试验车速 低，所需电机功率小，结构简单，占地少和能适应多车型检测等优点【1 4 】。 在我国目前使用最多的是单轴反力式滚筒制动试验台，单轴反力式滚筒制动试验台 的机械结构如图2 2 所示，主要由驱动装置、滚筒、举升装置、传感器、测量装置等部 分组成。驱动装置由电动机、变速箱和传动装置组成。电动机通过变速箱内的蜗轮蜗杆 和一对圆柱齿轮的两级减速后，将动力传递到主动滚筒上带动主动滚筒转动，主动滚筒 又通过传动装置带动传递到从动滚筒转动。 第二章系统总体方案设计 单轴滚筒制动试验台由相互独立的两组共四个滚筒组成，每个滚筒的两端分别用滚 动轴承支持起来。检测时被测车辆的车轮分别放在每组的两个滚筒之间，通过滚筒的旋 转来带动车轮的转动，用滚筒表面来模拟连续移动的路面【1 5 l ，从而用静止的车辆在移动 的路面上的运动来替代车轮在路面上行驶的情况。 7 l 一电动机2 一左制动力传感器3 一左力臂4 一变速箱5 一主动滚筒6 一从动滚 筒7 一测控装置8 一传动装置9 一举升装置1 0 一右制动力传感器1 1 一右力臂 图2 2 单轴反力式滚筒制动试验台结构示意图 在图2 2 中，变速箱与主动滚筒共轴，变速箱的箱体悬空，变速箱通过力臂压在传 感器上。检测制动性能时，电动机通过变速箱带动主动滚筒和被动滚筒旋转，当车辆进 行制动时，车辆产生的制动力对滚筒产生反作用力，通过变速箱和力臂的钢性连接，将 制动力施加到传感器上。通过测量力臂的移动或所受的压力转换成相应的电信号，最终 即可测得制动力的大小。滚筒式制动试验台所使用的传感器主要有【1 6 】：自整角电机式、 电位计式、差动变压器式或电阻应变片式等多种类型。 根据反力式制动试验台的结构原理，如图2 3 所示，将被检车辆驶上两个滚筒，滚 筒在电机驱动下转动，被测车轮给滚筒圆周一个与运动方向相反的力，这一反力由传动 机构传到压力传感器的受力点，该力和压力传感器输出的电压成正比。车轮制动力越大 传给滚筒圆周的反力就越大，滚筒受的扭矩大就意味着反映到传感器上的力越大，力传 感器的变形越大，电压值越大，这样传感器电压信号值就与被测车轮的制动力成正比。 把传感器输出的信号( 电压值) 送入信号调理放大电路处理后，经过a d 模数转换就成 为计算机可识别的数字信号，至此完成制动试验台的信号提取与转换。当脚踩制动踏板 时，测出制动力的大小；当手拉操纵杆时，测出驻车制动力的大小；当松开制动踏板和 操纵杆，车轮空转时，测出阻滞力的大小。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 3 反力式制动试验台的结构原理图 2 1 3 侧滑试验台功能特性及技术参数 汽车在正常行驶时，由于转向车轮的外倾角和前束角的合理配合，转向车轮应当作 无横向滑移的直线滚动。当转向车轮的外倾角和前束角匹配不当时，车轮与地面之间会 产生一个垂直于汽车行驶方向的作用力，使车轮处于边滚边滑的状态，即导致车轮产生 侧向滑移。这种滑移不仅会导致轮胎的异常磨损，而且会影响到汽车正常的定向行驶。 因此，转向车轮的侧向滑移量( 一般简称为侧滑量) 是衡量汽车操纵性能的一个重要指 标。 1 侧滑量的产生原理 为了避免车轮在承受额定载荷时转向轮不致产生内倾，车辆在空载行驶时转向轮具 有一定的外倾角。但是，这个外倾角也使得转向轮在滚动行驶中出现了向外张开的趋势， 由于刚性前梁的约束，转向车轮对地面产生了一个垂直于汽车行驶方向的向内作用力。 车辆若在这种状态下，驶过侧滑试验台的两块可以左、右自由滑动的滑板时，两滑板均会 向内滑动产生一个向内的侧滑量。 为了弥补因转向轮外倾所造成的转向轮向外张开滚动的这一负作用。转向轮应当具 有一定的前束值，使得汽车在正常行驶时，转向轮产生一个垂直于汽车行驶方向的向外 1 3 第二章系统总体方案设计 的作用力，以抵消因外倾角所造成的垂直于汽车行驶方向的向内的作用力，从而使转向 轮可以保持稳定的直线行驶。 一般将侧滑板产生的向内的侧滑量记为正值，向外的侧滑量记为负值。这样，当汽 车向前行驶时，侧滑量若为正值，则表明转向轮的外倾角偏小或前束值偏大；侧滑量若 为负值，则表明转向轮的外倾角偏大或前束值偏小；侧滑量若为零，则表明前束与外倾 配合得恰到好处。 当汽车向后行驶时，转向轮外倾所引起的侧滑量依旧为正值，而转向轮前束引起的 侧滑量的方向则发生了改变，变为正值。若将因转向轮外倾引起的侧滑量的绝对值记为 s 外馈，转向轮前束引起的侧滑量的绝对值记为s 村柬。则汽车前进时，转向轮的侧滑量s 翦进- s 外懊s 酊柬；汽车后退时，转向轮的侧滑量s 后遢- s 外矿s 前柬。由此，可得到式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) ， 瓯植：盟望 ( 2 3 ) o 外颓一一 、厶j 7 柬=盘堂二墨望 ( 2 4 ) 2 因此，在实际检测中可以让车辆的转向轮沿前进方向通过侧滑试验台测得s 前进，再 沿后退方向通过侧滑试验台测得s 后退，则可进一步求出s 外倾和s 前柬。 2 、侧滑试验台的结构和工作原理 汽车在侧滑试验台的滑动板上驶过时，会引起滑动板在左、右方向移动。侧滑试验 台就是通过测量滑动板移动的位移量来检验车辆的侧滑量。侧滑试验台按其结构形式可 分为单滑板式和双滑板式两种类型。双滑板式侧滑试验台与单滑板式侧滑试验台的主要 区别在于前者具有两个联动的滑动板，而后者只有一个滑动板。 我国与日本大多使用的是双滑板式侧滑试验台，其结构如图2 4 所示。试验台机械 部分、侧滑量检测装置、侧滑量定量指示装置和侧滑量定性显示装置等几部分组成。 1 4 长安大学硕士学位论文 2345 图2 4 汽车侧滑试验台结构图 1 导向装置：2 台板：3 回位弹簧；4 平衡杠杆；5 滚动轮 机械部分由框架、左右滑动板、滚轮、滑道、双摇臂杠杆机构、回位装置、导向和 限位装置等部件组成。 根据侧滑试验台的不同规格，滑动板的纵向长度有5 0 0 r a m 、8 0 0 m m 和1 0 0 0 m m 三 种。当仪表显示侧滑量为1m k m 时，对应于这三种滑板的位移量分别是0 5 m m 、0 8 m m 和l m m 。双滑板联动式侧滑试验台的左、右两块滑板在双摇臂杠杆机构的作用下，其 移动量是相等的，同时向外或同时向内。在其中一块滑板上装有位移传感器，将位移量 变成电信号送给侧滑量显示装置。装有传感器的滑动板称为主动板，另外一块滑动板称 为从动板。 侧滑板表面作成凸凹不平的花纹形状，以增大附着力，减少车轮与滑板之间可能产 生的滑移。滑板下面有滚轮，滚轮在滑道中可以左右自由滑动。滚轮和滑道应定期进行 润滑和保养，以减少滑板运动的阻力，提高检测精度。当车轮驶离滑板后，滑板在回位 弹簧的作用下恢复到原来的位置。 在测试过程中，工作原理大致如下：汽车通过滑板，使两块滑板同时向内或向外侧 滑动，这时滑动量通过机械传动机构作用于位移传感器使之转换成电压信号量，传感器 将位移信号转换成电压信号，经放大器放大后变成满偏度+ 1 0 v 的电压信号，为了便于 和a d 转换器接口，需要经过网络变换器转换成两路0 v 1 0 v 的电压信号，并配制滤波、 限幅、续流等措施，然后由a d 转换器变成对应的二进制码。当汽车驶过滑板时，系统 不断的对位移量采集信号，采样周期一般取1 0 m s ，这样汽车通过侧滑时可采很多个样 点。数据处理时找最大值以下的若干个点，再经过一次滤波求出侧滑量的最大值，然后 送入显示系统显示。当侧滑量超过5 m k i n 时，表明侧滑量已超出标准，驱动相应的声、 光报警器工作。 第二章系统总体方案设计 3 、侧滑量的评价标准 按国家标准g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 营运车辆综合性能要求和检验方法的规定，用侧滑 试验台检测前轮侧滑量，其值不得超过5 m k m 。 2 2 四合一智能仪表的系统分析 反力式汽车制动轴重检验台、侧滑检验台、车速表检验台是一种取代道路试验、检 测的不解体检验设备，是汽车性能检测最常用的设备，广泛应用于各种汽车修理厂和汽 车安全性能检测线。随着汽车检测技术的进一步发展，检测线各工位势必向工位计算机 和现场仪表两级控制方向发展。本课题研究的智能汽车复合式控制仪表主要应用于大型 的汽车修理厂和车流量较小的汽车综合( 或安全) 性能检测线。 1 、输入和输出 1 ) 模拟量输入通道( 最多三路同时用、建议采用1 4 位a d c ) 左制动力最大限1 8 m v 对应3 0 0 0 0 n ( 1 0 吨台) 或1 8 0 0 0 n ( 3 吨台) 左轮重最大限1 0 m v 对应1 0 0 0 0 k g 或3 0 0 0 k g 右制动力最大限1 8 m y 对应3 0 0 0 0 n ( 1 0 吨台) 或1 8 0 0 0 n ( 3 吨台) 右轮重最大限1 0 m v 对应1 0 0 0 0 k g 或3 0 0 0 k g 踏板力信号最大限1 8 m y对应2 0 0 k g 侧滑信号最大限+ 2 v对应1 5 m m k m 备用模拟量输入通道2 路 2 ) 频率信号采集通道 左第三滚筒信号0 _ _ 3 0 h z 右第三滚筒信号0 _ - 3 0 h z 车速信号旺5 k h z 对应最大车速1 2 0 1 6 0 k m h ( 根据滚筒大小) 3 ) 开关量输入通道( 最多1 6 路，常用5 路) 轴重台光电开关1 路 制动台光电开关1 路 车速台光电开关1 路 侧滑台光电开关1 路 车速申报开关1 路 4 ) 开关量输出通道( 最多1 6 路，常用8 路) 1 6 长安大学硕士学位论文 车速台举升 制动台举升 制动台电机起停 测滑检测不合格蜂鸣器 2 、通信接口 2 路 2 路 2 路 2 路 r s 2 3 2 串行通讯口1 路和标准r s 4 8 5 串行通讯口1 路。 一路r s 2 3 2 串行口与上位机进行数据交换，另一路r s 4 8 5 串行口可用来驱动l e d 点阵屏。 2 3 四合一智能仪表的设计原则 l 、通用性好 系统应能直接用于各类机动车安全性能检测系统和大多数检测设备。对检测对象、 安装方式、工位数量、检测顺序、设备型号等因素应具有较强的通用性。 2 、易于扩充 系统应具有良好的扩充机制和扩充接口。一方面可以在确保系统兼容性的前提下安 全、快速的加入对新设备的支持另一方面可以允许用户根据实际情况对车辆信息和检测 数据进行二次开发。 3 、安全可靠 在选购或设计硬件设备时，应考虑到设备的实际工作环境中温度、湿度、压力、粉 尘等因素对设备所造成的影响，保证系统在规定的工作环境下工作可靠、性能稳定。对 于系统的供电、接地也都应进行相应处理。系统的数据采集、过程控制一般都应进行隔 离。 系统设计时还应充分应用软硬件技术，在不大幅度增加硬件成本的前提下，提供数 据保护、硬件故障容错和操作错误容错。 4 、智能化 系统的设计应尽量增加智能化程度，最大限度的减少人工干预。 5 、易操作性 系统应具有友好的人机界面，尽量降低对操作人员的要求。 6 、可维护性 在系统设计时，要从系统的软硬件结构、硬件布局、硬件诊断等方面充分考虑系统 1 7 第二章系统总体方案设计 的可维护性。 7 、良好的升级前景 系统应建立在一个具有良好发展前景的开放式平台上，使得系统在较长的一段时期 内可以通过小规模的升级，迅速适应新的应用需求，不断完善已有功能。 2 4 系统主要功能和技术指标 本系统在吸收了国内外同行业检测系统的优点的基础上，采用了当今工业控制领域 面向信息的潮流，立足可靠性、先进性、灵活组态性，实现控制与信息的自动化，本系 统是根据国家标准g b l 8 5 6 5 2 0 0 1 的特殊要求研制，更能反映车辆的各项技术性能，为 车辆的安全性、经济性提供了科学依据。 确保了车辆技术状况良好f 1 7 】，该智能汽车检测系统能实现的功能有： 1 、车辆检测功能。可对机动车的速度表、测滑( 轮偏) 、制动性能进行单项或多项 检测。 2 、既可以手动检测也可以全自检测，既可以单台检测也可以通过网络和其它设备 一起组成汽车综合性能检测线。 3 、也可选用高亮度l e d 点阵屏对驾驶员进行引导。复合仪表可以实时监控并显示 车辆的检测进程和检测结果，并手动干预检测进程。 4 、软件标定功能。对系统的模拟量输入通道进行软件标定。 5 、设备自检功能。对系统的部分硬件进行检查。 该智能汽车检测系统的主要技术指标【1 8 1 如下： 1 、工作条件为： 温 度：0 c - 4 0 相对湿度：不大于9 5 电源：a c 3 8