（交通运输工程专业论文）汽车制动性能检测系统的研究与实现.pdf

摘要 随着汽车检测线系统相关技术的不断发展和各种新的应用需求的不断提出，传统 的汽车检测线系统已经不能够满足使用的需要。本文通过对传统汽车检测线系统的深 入分析，针对现有的基于计算机网络测控平台的汽车性能检测系统，详细阐述了其中 制动性能检测模块的设计和实现过程。该系统不但在体系结构上能避免传统汽车检测 线系统的不足，而且在功能上充分考虑了各种新的应用需求。 该系统集检测、控制和管理于一体，主要由车辆检测、数据管理两个子系统所组 成。车辆检测子系统主要完成对汽车进行全自动检测的功能；数据管理子系统主要完 成对车辆信息、车辆检测数据和检测线业务进行管理和维护的功能。车辆检测子系统 是整个系统的核心，在这一部分我们着重讨论了制动数据采集过程中的数据处理方 法。 本文还对操作系统、编程语言、数据库技术、计算机网络拓扑结构等相关内容进 行了讨论，最终选用v i s u a l b a s i c 6 0 和s q l s e r v e r 2 0 0 0 作为该系统软件的开发平台。最 后，对系统运行过程中可能存在的故障点和采取的措施进行的论述。 关键词：分布式网络测控系统、汽车性能检测系统、制动性能检测、数字滤波算 法、数据拟合 长安大学_ t 程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e dd e v e l o p m e n to ft h er e l a t i v et e c h n i q u ei nv e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e m a n dn e wn e e d sa r ep u tf o r w a r d ，t h et r a d i t i o n a li n s p e c t i o ns y s t e mc a n tm e e tt h en e e d so f a p p l i c a t i o n s b ya n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a ls y s t e m sd e e p l y ，an e wv e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e mi s p r o p o s e d ，a n di t sd e s i g n a t i o na n dr e a l i z a t i o ni sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es y s t e mc a nn o to n l y a v o i dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lo n e s ，b u ta l s o f u l l yt h i n ko fa l lk i n d so fn e w a p p l i c a t i o n si nf u n c t i o n t h en e wv e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e mc o m b i n e si n s p e c t i o n ，c o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n t t o g e t h e rt h a tc o n s i s to fv e h i c l ei n s p e c t i o ns u b s y s t e m ，d a t am a n a g e m e n ts u b s y s t e m v e h i c l e i n s p e c t i o ns u b s y s t e mc a l la c c o m p l i s ht h em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fv e h i c l e i n f o r m a t i o n ，v e h i c l ei n s p e c t i o nd a t aa n do p e r a t i o no ft h es y s t e m t h ev e h i c l ei n s p e c t i o n s u b s y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h es y s t e m i nt h i ss u b s y s t e m ，t h r o u t ha n a l y z i n g m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ev e h i c l ei n s p e c t i o np r o c e s s ，w ep u tf o r w a r dt h es c h e d u l i n gp r i n c i p l e a n dc o m m u n i c a t i o nm o d e lo ft h es y s t e m o nd i s c u s s i o no fo s ，p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，d a t a b a s et e c h n i q u e ，t h ea r c h i t e c t u r eo f c o m p u t e rn e t w o r k ，w ec h o o s ev i s u a lb a s i c6a n ds q ls e r v e r2 0 0 0a st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dn e t w o r kt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ；v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts y s t e m ； a u t o - b r a k ei n s p e c t i o n ；d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m ；d a t aq u a s i - h a r m o n y 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： 渺7 年f 沙蛔 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： 砷年廖月形日 年月 日 长安大学工程硕士学位论文 1 1 汽车安全性能检测的意义 第一章绪论 随着我国国民经济持续稳定的发展，人民生活水平的不断提高，人们对于汽车作为 一种日常代步工具的需求使得汽车保有量急剧增加。同时，各地高等级公路的建设， 也使得汽车出行频率和平均行驶速度不断提高。汽车经过长期使用后，随着行驶里程 的增加，车辆状况可能存在安全隐患，如果不对汽车进行定期的专门的安全性能检 查，有可能影响汽车使用的安全性、可靠性和经济性。因此，如果能按一定周期检测 汽车的技术状况，并根据检测结果进行相应的保养维修，就可以有效地延长汽车的使 用寿命，保证汽车的行驶安全，同时也为汽车维修、生产和管理部门动态监控汽车技 术状况提供重要数据。 1 2 汽车安全性能检测的主要内容及发展历程 1 2 1 汽车性能检测系统的主要功能 汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展。在汽车发展的早期，人们主要是 通过有经验的维修人员以“望( 眼看) ”、“闻( 耳听) ”、 “切( 手摸) 的诊断 维修方式，发现汽车存在的故障并作出有针对性的修理。随着信息技术，尤其是现代 计算机技术、网络测控技术的发展，汽车检测技术也随之飞速发展。目前人们正试图 依靠各种先进的仪器设备，并以此为基础开发各种的汽车性能测控系统对汽车进行不 解体的检测。 利用现代电子技术、计算机及其网络通信技术开发高集成化的智能系统是汽车安 全性能检测技术发展的必然方向。汽车性能检测系统就是在国内外现有的汽车安全性 能检测线的基础上，利用先进的信号处理及控制手段自动完成数据的计算机信号采集 并自动完成检测。要解决的问题是将先进的网络通信技术、弱信号处理技术、分级分 布式控制技术、光电隔离技术、抗干扰技术、面向对象程序设计理论等多项技术应用 到实际的汽车安全检测场合，以满足我国目前日益发展的汽车性能全自动检测的实际 需要。 通用的汽车性能检测系统应具有以下功能： l 、系统可以对汽车的速度表、废气、烟度、轴重、制动、外观、前照灯、声级和 长安大学工程硕士学位论文 侧滑进行全自动检测。 2 、由检测子系统和车辆数据( 包括车辆信息和车辆检测数据) 管理子系统组成。 前者完成汽车性能的全自动检测；后者则实现对检测线业务、车辆信息和车辆检测数 据的管理。 3 、根据检测子系统中检测工位的设置，可以允许3 - 4 辆汽车同时在线检测，平均 每辆汽车的检测时间为5 - 8 分钟。 4 、依据国标7 2 5 8 - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件及其修改单设定检测规范， 并自动对检测结果进行分析和评价。 5 、检测子系统根据红外光电开关信号判断待检测汽车是否到位，然后利用l e d 显 示屏指示引车员进行必需的操作，检测完毕后及时将检测结果通过l e d 显示屏显示出 来。 6 、引车员可以通过遥控开关向系统发送某些项目( 速度表、废气、烟度) 检测的完 成信号，检测子系统收到信号后就会对相应的项目进行全自动检测。 7 、系统可以根据检测进程发出相应的控制信号，控制相关检测设备举升器的升 降、滚筒电机的启停等。 8 、系统具有工位屏蔽功能，也就是说当检测子系统的某个工位发生故障时，我们 就可以对该工位加以屏蔽，系统可以继续对其它的项目进行检测，而不会因为系统某 个工位出现问题导致整个检测系统瘫痪。 9 、报检机可以预先录入待检测车辆的信息，也可以对车辆信息进行添加、修改、 删除和查询操作，并预留与当地交通管理部门数据库连接的接口。如果要对某辆车进 行检测，报检机先把该车辆的信息和检测信息发送给主控机，检测子系统就可以在主 控机的调度下有条不紊地对待检测汽车进行全自动检测。 1 0 、检测系统中硬件设备自检、标定功能，检测软件具备远程诊断的功能。 l l 、汽车检测完毕后，系统可以打印出汽车检测报告单，并将检测数据上报到数 据库服务器，为数据管理子系统管理车辆检测数据提供了方便。 1 2 、系统可以对检测设备的物理信号进行采集、滤波、变换、处理和分析，最终 以友好的方式显示出来。 1 2 2 汽车性能检测的发展历程 汽车检测技术经历了从无到有，从简单手工操作到依赖于精密设备的过程。早在 2 长安大学工程硕士学位论文 二十世纪5 0 年代在一些工业发达国家就形成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 年代初期进入我国的汽车检测试验设备有美国的发动机分 析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分析仪等，这些都是国外 早期发展的汽车检测设备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量 应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。例如：非 接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等都是光机电、理化机电一 体化的检测设备。进入7 0 年代以后，随着计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、 数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基 础上，为了加强汽车管理、各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检 测制度化。概括地讲：工业发达国家的汽车检测在管理上已实现了“制度化”；在检 测基础技术方面己实现了“标准化”；在检测技术上向“智能化、自动化检测 方向 发展。 1 、制度化 在德国，汽车检测的工作交由交通部门统一管理，在全国各地建有由交通部门认 证的汽车检测场( 站) ，负责新车的登记和在用车的安全检测，修理厂维修过的汽车 也要经过汽车检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合国家标准。 在日本，汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在全国设 有“国家检车场”和经过批准的“民间检测场 ，代替政府执行汽车检测的工作。其 中“国家检测场 主要负责新车登记和在用车安全检测；“民间检测场 通常设在汽 车维修厂内，经政府批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 2 、标准化 工业发达国家的汽车检测有一套完整的标准。判断受检汽车技术状况是否良好， 是以标准中规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免主观上 的误差。国外比较重视安全性能和排放性能的检测，如美国规定，修理过的汽车必须 经过严格的排放检测方能出厂。 除对检测结果有严格完整的标准以外，国外对检测设备也有标准规定，如检测设 备的检测性能、具体结构、检测精度等都有相应标准。对检测设备的使用周期、技术 更新等也有具体要求。由于检测制度、技术的标准化，不仅提高了检测效率，也保证 了检测质量。 3 、智能化和自动化 长安大学工程硕士学位论文 随着科学技术的进步，国外汽车检测设备在智能化、自动化、精密化、综合化方 面都有新的发展，应用新技术开拓新的检测领域，研制新的检测设备。 随着现代信息技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集自动 化、检测结果直接打印等功能的现代综合性能检测技术和设备。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，己出现集检测工艺、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，即可作为下次检验参考，还可供处理交通事故参考。 中国汽车检测行业走过了从主要依赖国外引进到自主研发国产设备的发展历程， 目前，具有自主知识产权的汽车检测设备和系统已经占据了相当份额。汽车检测生产 企业从8 0 年代后期开始消化吸收国外检测技术的基础上推出了自己的成套产品，经过 十余年的发展己初具规模，且不再满足于对国外产品的模仿和低层次的重复开发，而 是把眼光发到新技术的应用、新产品的开发上。具有高技术含量的汽车检测产品已成 为许多企业和科研单位的首选目标。近十年来汽车检测产品的发展十分迅速，检测设 备和联机系统大都经历了二到三次的更新换代，许多产品做到了测量元件电子化、指 示仪表数字化。特别是随着计算机技术和电子技术的发展，检测线的检测控制系统也 处在不断的发展和完善中。在汽车的安全检测系统中微机化的自动检测工序逐步取代 了手工式检测线，从而大大降低了检测站工作人员的劳动强度，同时也提高了检测的 真实性、可靠性和有效性。 1 3 汽车制动性能检测的目的和重要性 在汽车性能检测的八个主要项目中，制动检测是非常重要的一项，它直接关系到 汽车的行驶安全。为了有效的控制汽车的行车速度，汽车的制动装置的可靠性就显的 十分重要。据统计资料表明，公路运输事故中因制动系统故障引起的约占事故总数的 4 0 - - 5 0 。因此良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保证，只有当汽车具有良好的 制动性能才能保证在安全运行的前提下提高汽车的平均技术速度，从而获得较高的运 输生产率。 对于汽车制动性能的检测，无论是在汽车的安全性能检测中，还是在综合性能检 4 长安大学工程硕士学位论文 测中，都是十分重要的检测项目。特别是在自1 9 9 8 年g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安 全技术条件颁布执行后，对汽车制动性能的检测提出了更高的要求，除了要检测各 轮的最大制动力、阻滞力、驻车制动力等常用参数外，还要检测同轴左、右轮制动力 上升过程差，制动力协调时间，整车制动比等核心参数。同时，为了满足对汽车制动 系故障诊断的需要，还必须对整个制动力上升、保持及释放过程进行全面的测试。因 此，在汽车制动性能的检测中，关键是对汽车制动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。 国标( g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件对汽车制动性能规定了3 种检测 方法，即制动距离、制动减速度和制动力的测试。前两种方法一般采用路试进行检 测。路试法虽然简便、直观，且不需要大型设备和占用厂房，但其只能测出整车的性 能。而且制动距离的长短和制动减速度的大小往往受驾驶员操作方法、路面状况和行 驶条件的影响，不易准确判断不合格车辆的故障所在部位。对轮胎有较大的磨损，且 需一定燃料，并对整车各机械都有一定的损坏。同时还受到气候条件、场地限制i 且 有造成事故的危险。因而制动力的测试法，即台试法己成为检测车辆制动性能的常用 方法，并将逐渐取代路试法。台试法，即通过测力式制动试验台，作为移动路面来近 似地模拟实际的制动过程，对汽车的制动性能进行测量与分析。 1 4 本文的主要工作 本章的前三节综述汽车安全性能检测系统的重要意义、主要的功能、以及发展的 历程，在此基础上进一步探讨了汽车制动性能检测对于确保车辆行驶安全的重要作 用。下面结合论文的章节安排，叙述论文的主要研究内容。全文共分为七章，各章的 内容概述如下： 第一章绪论 对汽车安全性能检测的产生背景、目标和定义、主要研究内容和目前国内外的研 究现状和发展趋势作了全面的分析和介绍，在此基础上指出了制动性能检测对于车辆 安全行驶的重要作用。 第二章分布式网络测控系统概述 本章阐述了分布式网络测控系统的特点、体系结构，并且对汽车性能检测系统系 长安大学工程硕士学位论文 统的基本构成、总体结构和工作原理作了详细的研究分析。 第三章汽车制动试验台结构原理及检测系统的硬件设计 本章阐述了汽车制动试验台的基本结构、工作原理、以及使用的方法，并对制动 性能检测系统中硬件系统的结构、模拟信号的处理方法、以及数字量的光电隔离技术 进行的探讨。 第四章汽车制动性能检测软件的设计与实现 本章阐述了汽车制动性能检测软件的设计与实现，具体内容包括：检测软件中的 模块划分、检测软件的工作流程、检测软件中有关数据存储、l e d 灯阵汉字显示及串 口通信等。 第五章汽车制动性能检测系统中的数据处理技术 本章主要针对汽车制动性能检测系统中的数据处理技术进行讨论，具体内容包 括：信号的数字滤波技术、零点漂移的抑制技术、系统的非线性校正、以及制动力数 据的b 样条函数拟合等。 第六章检测系统潜在的故障及处理 本章主要针对汽车制动性能检测系统中潜在的硬件故障和软件故障及其处理措施 进行讨论。 第七章结论与展望 本章中，总结了本文在技术、方法上的研究成果和创新，并给出进一步研究和改 进的方向。 6 长安大学工程硕士学位论文 第二章分布式网络测控系统概述 分布式网络测控系统集成了自动控制技术、计算机技术和通信技术，具有大规模 和复杂的系统结构等特点。本章首先回顾了控制系统的发展系统，阐述了分布式网络 测控系统的特点及体系结构，讨论了汽车性能检测系统的结构和工作原理。 2 1 控制系统的发展历程 在过去，传统的控制系统有一个集中控制单元，它通过点对点的连接控制所有其 它的过程和设备( 传感器、执行器) 。然而，现在各种工业对象覆盖了很大的范围以及 出现了很复杂的控制系统，这些系统控制了许多的设备并通过各种方法连接在一起。 在单个处理器和控制器的情况下，由于硬件和软件的问题可能会出现几个问题，包括 单点失效、弱稳定性、弱性能以及不支持先进的分布式控制策略等。 现代复杂控制系统的一个共同的特点是：大量的设备连接在起执行期望的操 作，并且包含大量的物理领域。因此，如果所有的命令和计算都要通过集中控制来解 决，这该集中控制单元将会非常的复杂。大量的物理领域要求大量的连接线，因此， 应用传统简单的集中控制来控制现代复杂系统的点对点的连接方式是不现实的。 随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生变 化。使用专用或公用计算机网络代替传统控制系统中的点对点结构，实现传感器、控 制器和执行器等系统组件之间的控制信息可以相互传递的系统，部件散布在大范围区 域的广域分布式系统( 如大型工业过程控制系统) 中，甚至在集中的小型局域系统中( 如 航天器、舰船以及新型高性能汽车等) 都正在或者将要得到使用。在这样的控制系统 中，检测、控制、协调和指令等各种信号均可通过公用数据网络进行传输，而估计、 控制和诊断等功能也可以在不同的网络节点中分布执行。由于被控对象、控制装置等 物理设备的地域分散性，以及控制与监控等任务对实时性的要求，工业控制需要一种 分布实时控制系统来实现控制任务。在分布式实时控制系统中，每个处理器控制一部 分控制过程和一组传感器和执行器。这些节点相互协调工作，通过总线的拓扑结构来 进行通讯。这些通用总线结构要求的连线与点对点系统相比要少得多，因此减少了组 装时间和维修费用。同时，也减少了因为单个故障而影响整个系统的概率。另外，传 感器总线系统作为模块子系统，通过子系统直接连接，模块化能够很容易提高和加速 诊断和维修。 7 长安大学工程硕士学位论文 因为上述优点，总线系统比点对点的解决方案有比较明显的吸引力。然而，总线 系统同时也引入了很多的实际问题，如果不能正确处理，将影响系统的效率。例如， 通讯和控制的两个主要问题是寻址和时间问题。对于一个简单的总线网络，因为所有 的设备是通过一个单一的总线相连接的。而且，因为总线拓扑的原因，设备在发送一 个消息的时候，可能将不得不等待一段时间，这种机制增加了数据转换的响应时间( 与 点对点的方式相比较) ，这种时间延迟严重影响了系统的性能，特别是对于控制器的设 计【8 ，1 2 ，1 3 1 。 与上述相比，分布式网络化控制系统，较好地解决了自动控制的两大基本问题， 即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信。有如下显著的特点【1 5 j ： 可以方便地共享贵重设备，如强大的主机，昂贵的设备等。 数据资源共享，从一个终端可以访问整个系统的资源，用户之间可以交换文件 和数据。 系统易于扩展和演变。 系统的数据处理灵活强大。 对于某些数据处理量特别大的测控任务，即使当前的计算机功能己经非常强 大，仍然不能满足要求，通过网络可以将多台计算机连接起来，共同完成任务。 2 2 分布式网路测控系统简介 2 2 1 分布式网络测控系统的概念 1 9 9 8 年，马里兰大学g c w a l s h 在他的论著中，提出了网络化控制系统 ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s ) ，但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络化控 制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学 的于之训等用了“网络化控制系统 ；重庆大学的张结斌等用了“分布式网络化控制 系统 这样的术语，清华大学的顾洪军则给出了明确的定义：网络化控制系统，又称 为网络化的控制系统，是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，即在网络环境下 实现的控制系统【1 1 】。 分布式网络测控系统通常的定义是指一个实时网络构成闭环的控制系统，具体而 言是指某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备 之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。 分布式网络控制是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是复杂大系统控制 8 长安大学工程硕士学位论文 和远程控制系统的客观需求。传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通 信网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础，而高速以太网和现场总线 技术的发展和成熟解决了网络化控制系统自身的可靠性和开放性问题，使之成为现 实。 分布式网络控制系统还包括通过e t h e m e t 以及i n t e m e t 实现对工厂车间、生产线甚 至现场设备的监视与控制等。由于控制网络的引入，现场设备控制进一步趋向于分布 化、扁平化和网络化，其拓扑结构参照计算机局域网，包含星型、总线型和环型等几 种形式；另外还将孤立的自动化孤岛连接起来形成网络结构。 2 2 2 分布式网络测控系统的特点 分布式网络测控系统集成了某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线 路，提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操 作，是一种复杂控制系统。它的一个主要特征是一些信号，如参考输入、执行器输 出、控制输入等，在控制系统的各个部分( 如传感器、控制器、执行器等) 之间通过网络 进行交换。 总的来说，分布式网络测控系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是 计算机控制系统的更高发展，是以控制“事物对象 为特征的计算机网络系统，是计 算机控制系统的更高发展，它具有以下特点： 结构网络化。网络化控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上，它支持 如总线型、星型、树型等拓扑结构，与分层控制系统的递阶结构相比，显得更加扁平 与稳定。 节点智能化。有c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调， 每个节点都是组成网络化控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能。 控制现场化和功能分散化。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到 智能化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安全 性。 系统开放化和产品集成化。分布式网络测控系统的开发是遵循一定标准进行 的，是一个开放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些产品 之间便能实现互操作和集成。 9 长安大学工程硕士学位论文 2 2 3 分布式网络测控系统的体系结构 结构决定功能，体系结构的每次发展都带来控制系统性能的极大提高。分布式网 络测控系统是一种先进的控制系统，它的先进性应该首先体现在体系结构上。 分布式网络测控系统主要由两大部分组成：一部分是组成系统的基本功能单元 ( 传感器、执行器、控制器、显示设备等) ；一部分是连接各基本功能单元的通信网 络。由于大型复杂控制系统不仅有测试和控制任务，还有大量的控制信息交换，因 此，通信网不能是单一结构而应是多层的复合结构，并且要求控制网络与信息网络实 现无缝集成。 分布式网络化测控系统的基本功能单元包括：控制服务器、中央管理计算机、浏 览服务器、网络化仪器、网络化传感器、网络化控制模块、网关。控制服务器。中央 管理计算机是网络化控制系统的关键部分，主要进行各控制基本功能单元的任务分 配，对基本功能单元采集来的数据进行计算、处理与综合，数据存储和报表打印，系 统的故障诊断及报警等。 控制浏览器：为w e b 浏览器或别的软件接口，可以浏览现场测试节点的测试、分 析、处理的信息和测试服务器收集、产生的信息。网络化仪器、网络化传感器是网络 化控制系统最基本部分。它们是在传统的测试仪器、传感器、测试模块的基础上，利 用网络技术改造的带有本地微处理器和通信接口的现场数据采集设备。主要完成： 数据的采集与处理；测试数据交换；过程的监控及故障诊断，故障发生时，将故 障情况报中央管理计算机；测试信息的存储：包括本地和远地的测试数据的存储。 网络化仪器包括网络化控制模块、虚拟仪器和g p i b ，v x i ，p x i 系统等。 开放式控制系统的网络结构如图2 1 所示，上层以信息共享为主要目的的信息网采 用i n t e m e t ；中层用于过程控制、处理的厂级网络采用工业e t h e m e t ，下层现场设备级 采用现场总线或工业以太网，三层网络之间通过i p 网关相连。 2 3 基于分布式网络测控系统的汽车性能检测系统 2 3 1 汽车性能检测系统的控制结构的发展 目前我国投运的汽车性能检测系统，无论是进口的还是国产的，从系统的控制方 式上看，有以下几种： ( 1 ) 集中式控制方式：其结构如图2 2 所示。 l o 长安大学工程硕士学位论文 图2 1 分布式控制系统的网络结构 ! i 4 - # v g l 器l ，h ：謦关、! 卜 一0 r t ，j j 传感器i 卜寸i 放大i 卜+ 二主， 控 一。t ： 印j i|i 。j j j 机 i 开关量hi o 板。 _ +l ， 驱动ih 灯箱1开关量卜_ 叫板卜_ + 图2 2 集中式控制方式 这种方式是将现场所有信号经过处理后送入同一台主控机中，主控机直接负责整 个检测系统的设备控制、数据采集和处理、检测结果评价等功能。这种控制方式的特 点是结构简单易行，成本低。但主控机由于任务繁忙，易受干扰，且一旦主控机发生 故障，整个检测系统就会停止工作；微弱信号的传输距离较远，传输质量较难保证； 主控软件编写复杂，调试、维护困难。 ( 2 ) 接力式控制方式：其结构如图2 3 所示。 信号 信号 信号 n g - c r tc r tc r tc r t 图2 3 接力式控制方式 长安大学工程硕士学位论文 它实际上是一种分级控制方式，这种控制系统中单台设备的信号送到工位控制 机，由工位控制机显示检测数据，并传送到下一级，全部检测数据由末级控制机打印 检测记录表。这种方式的特点是易于实现，抗干扰能力比较好，但功能受到限制，难 以实现较高程度的自动控制，对复杂检测对象适应性较差，且通信时间较长，出现误 码率的几率高，在整个检测系统中如果一个环节出现故障，则会导致整个检测系统瘫 痪。 ( 3 ) 基于现场总线的网络结构：现场总线是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种先进的工 业控制技术，它将当今网络通讯与管理的观念带入工业控制领域。最近有少数汽车检 测系统集成商开始将这一技术运用于汽车性能检测系统中，国内也出现了少数基于 c a n 现场总线的检测站，该技术是将检测线中传统的4 2 0 m a 模拟信号转为双向数字 通信现场总线信号。其优点是测量精度高，可靠性强，布线简单。但在使用中存在着 一些问题，如：如何跟传统仪表互连，不同程序之间的接口问题( 因为各现场总线设 备生产商都提供自己的软件开发工具) 。因此这种方式仍然处在试验阶段，有待完善， 但不失为一种发展方向。 在综合上述各种控制方案优点的基础上，为了有效地避免汽车性能测控系统各种 控制结构自身的不足，还要能满足汽车综合性能检测项目多、检测车间分散、检测时 间节拍不统一等特殊需要，结合分布式网络测控系统的上述特点，给出了基于分布式 计算机网络结构解决方案。 2 3 2 汽车性能检测系统的分布式网络拓扑结构 本文中的汽车性能检测系统采用如图2 4 所示的星型网络拓扑结构。 1 2 图2 4 系统网络结构图 整个测控系统分为两级：直接过程控制级和集中监控级。直接过程控制级以高性 长安大学工程硕士学位论文 能工控机为工作从站，分布在各个检测工位或不同的检测车间中，完成各现场信号的 检测、处理、控制与数据存储、转换、管理等任务；集中监控级以高性能服务器作为 主站，完成检测节拍及流程控制、数据交换与管理、报表的打印与统计等任务。两级 之间的通信则通过基于t c p i p 局域网实现。这种方式完全实现资源共享、分散处理和 过程控制与管理的一体化；系统结构清晰，便于实现各子功能的模块化，从而使该系 统的可扩展性好。 2 3 3 汽车性能检测系统的总体结构 汽车性能检测系统的总体结构原理如图2 5 所示。 图2 5 检测线系统总体结构原理图 该系统由检测报检机、主控机( 服务器) 、网络交换机、工位机、l e d 点阵显示 屏、信号采集单元、检测控制单元及信号处理系统等组成。过程控制系统以 w i n d o w s 2 0 0 0 组成局域网。各工位机运行于w i n d o w s 9 8 操作平台，可并入运行，也可 单机运行。报检机完成报检车辆信息( 如：车牌号、底盘号、发动机号等数据) 的录入和 检测方式的设置( 如：单机方式或联网方式，典型检测或抽项检测) 。一工位机完成柴 油车烟度检测、速度和里程表校验；二工位机完成轴重检测和制动性能检测；三工位 机完成前照灯检测、喇叭声级检测、侧滑量检测等。服务器除了保障各计算机之间的 安全通信之外，还完成对报检机、各工位机传送来的各种数据和信息进行综合分析、 长安大学工程硕士学位论文 判断、存贮、列表、显示及文档打印等工作，同时还能监视和控制各工位的工作状 态。 2 3 4 汽车性能检测系统的工作原理 检测顺序如图2 6 所示： 一工位二工位三工位 2 6 系统检测顺序图 当车辆在登录室完成报检工作后，报检机提示各工位机进入准备状态，车辆在行 驶过程中将触发各个工位放置的光电开关或接近开关，各工位机根据光电开关或接近 开关的触发信号来判断车辆在检测线中的位置，在此期间各工位机将按照内置程序顺 序向大型显示屏发送驾驶员提示信息，提示驾驶员执行各种操作；启动各种检测设备 和执行机构( 如：电机，气阀等) ；采集各项目数据，并对检测数据进行实时处理、保 存、显示同时给出评价。 各个工位机在服务器的监控下，可以同时进行多辆车的检测工作，也就是说每个 工位可以同时有一辆车在进行该工位项目的检测，检测数据随车辆信息存放于本地硬 盘中。如某辆车全部或部分项目检测完毕需打印报表时，服务器就到各工位机上读取 该车的全部检测结果数据，汇总成一张或多张检测报表后送到打印机上打印。 2 4 本章小结 本章首先概述了分布式网络测控系统的发展、特点以及体系结构。在此基础上， 详细叙述了分布式网络测控系统的应用实例汽车性能检测系统，为后续的汽车性 能检测系统中制动性能检测子系统的研究与实现提供了基础。 1 4 长安大学工程硕士学位论文 第三章汽车制动试验台结构原理及系统硬件设计 本章主要介绍汽车制动试验台的基本结构、工作原理和使用方法，在此基础上进 一步讨论了汽车制动性能检测子系统中硬件部分的设计与实现。 3 1 汽车制动试验台的基本结构 汽车制动性能试验台按照测试原理的不同，可以分为反力式和惯性式两类；按照 试验台支承车轮形式的不同，可以分为滚筒式和平板式两类；按照检测参数的不同， 可以分为测制动力式、测制动距离式和综合式三种；按照试验台同时能测车轴数不 同，可以分为单轴式、双轴式和多轴式三类。目前国内车辆性能检测站所用制动检验 设备多为单轴反力式滚筒试验台。本文所讨论的制动性能检测系统也采用单轴反力式 滚筒试验台，它的结构如图3 1 所示。它由结构完全相同的左右两套车轮制动力测试单 元和一套指示、控制装置组成。每一套车轮制动力测试单元由框架( 有的试验台将左 右测试单元的框架制成一体) 、驱动装置、滚筒组、举升装置、测量装置等组成。 图3 1单轴反力式制动试验台原理图 3 1 1 制动试验台的驱动装置 制动试验台的驱动装置由电动机、减速器和链传动组成。电动机经过减速器两级 减速后驱动主动滚筒，主动滚筒通过链传动带动从动滚筒旋转。减速器输出轴与主动 滚筒共用一轴，减速器壳体为浮动连接，可绕主动滚筒轴自由摆动。电动机枢轴与减 速器输出轴同心，减速器壳与电动机壳连成一体，电动机与减速器输出轴分别通过滚 动轴承及轴承座支承在框架上，减速器壳与电动壳可绕支承轴线自由摆动。 由于制动试验台测试车速很低，日本齿槽式一般为0 1 o 1 8 1 锄h ，而欧洲式为 长安大学工程硕士学位论文 2 0 5k m h 。滚筒的直径较小。因此驱动电机的功率较小，如日本式试验台电动机功 率为2 0 7 2 x 2 2 k w ，而欧洲式试验台电动机功率为2 3 2 xl l k w 。减速器的作 用是减速增矩，其减速比根据电动机的转速和滚筒测试转速确定。由于测试车速低， 滚筒转速也较低，一般在4 0 1 0 0 r m i n 范围( 日本式试验台转速则更低，甚至低于 1 0 r m i n ) 。因此要求减速器减速比较大，一般采用两级齿轮减速或一级蜗轮蜗杆减速与 一级齿轮减速。 3 1 2 制动试验台的滚筒组 每一车轮制动力测试单元设置一对主、从动滚筒。每个滚筒的两端分别用滚筒轴 承与轴承座支承在框架上，且保持两滚筒轴线平行。滚筒相当于一个活动的路面，用 来支承被检车辆的车轮，并承受和传动制动力。汽车轮胎与滚筒间的附着系数将直接 影响制动试验台所能测得的制动力大小。为了增大滚筒与轮胎间的附着系数，滚筒表 面都进行了相应加工与处理。 滚筒直径与两滚筒间中心距的大小，对试验台的性能有较大影响。滚筒直径增大 有利于改善与车轮之间的附着情况，增加测试车速，使检测过程更接近实际制动状 况。但必须相应增加驱动电机的功率。而且随着滚筒直径增大，两滚筒间中心距也需 相应增大，才能保证合适的安置角。这样使试验台结构尺寸相应增大，制造要求提 高。 有的滚筒试验台在主、从动滚筒之间设置一直径较小，既可自转又可上下摆动的 第三滚筒，平时由弹簧使其保持在最高位置。而在设置有第三滚筒的制动试验台上大 都取消了举生装置。在第三滚筒上装有转速传感器。在检验时，被检车辆的车轮置于 主从动滚筒上的同时压下第三滚筒，并与其保持可靠接触控制装置通过转速传感器即 可获得被测车轮的转动情况。当被检车轮制动，转速下降至接近抱死时，控制装置根 据转速传感器送出的相应电信号使驱动电动机停止转动，以防止滚筒剥伤轮胎和保护 驱动电机。第三滚筒除了上述作用外，有的试验台上还作为安全保护装置用，只有当 两个车轮制动测试单元的第三滚筒同时被压下时，试验台驱动电机电路才能接通。 3 1 3 制动力测量装置 制动力测量装置主要由测力杠杆和传感器组成。测力杠杆一端与传感器连接，另 一端与减速器壳体连接，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 ( 或绕减速器输出轴、电动机枢轴，见图3 1 ) 轴线摆动。传感器将测力杠杆传来的、 1 6 长安大学工程硕士学位论文 与制动力成比例的力( 或位移) 转变成电信号输送到指示、控制装置。传感器有应变 测力式、自整角电机式、电位计式、差动变压器式等多种类型。日本式制动试验台多 采用自整角电机式测量装置，而欧洲式以及近期国产制动试验台多用应变测力式传感 器。 3 。1 4 举升装置 为了便于汽车出入制动试验台，主、从动两滚筒之间设置有举升装置。该装置通 常有举升器、举升平板和控制开关等组成。举升器常用的有气压式、电动螺旋式、液 压式3 种型式，气压式是用压缩空气驱动汽缸中的活塞或使气囊膨胀完成举升作用； 电动螺旋式是由电动机通过减速器带动丝母转动，迫使丝杠轴向运动起举升作用。液 压式由液压举升缸完成举升动作。带有第三滚筒的制动试验台不用举升装置。 3 1 5 指示与控制装置 目前制动试验台控制装置都采用电子式。为提高自动化与职能化程度在控制装置 中配各计算机。指示装置有指针式和数字显示式两种。带计算机的控制装置多配置数 字显示器。带计算机的指示与控制装置主要由计算机、放大器、a d 转换器、数字显 示器和打印机等组成，其控制框图如图3 2 所示。 图3 2 计算机控制框图 3 2 汽车制动试验台的工作原理 进行车轮制动力检测时，被检汽车驶向制动试验台，车轮置于主、从动滚筒之 间，放下举升器( 或压下第三滚筒，装在第三滚筒支架下的行程开关被接通) 。通过延 长安大学工程硕士学位论文 时电路启动电动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮低速旋转，待车轮转 速稳定后驾驶员踩下制动踏板。车轮在车轮制动器的摩擦力矩作用下开始减速旋转。 此时电动机驱动的滚筒对车轮轮胎周缘的切线方向作用制动力以克服制动器摩擦力 矩，维持车轮继续旋转与此同时车轮轮胎对滚筒表面切线方向附加一个与制动力方向 反向等值的反作用力，在反作用力矩作用下，减速器壳体与测力杠杆一起朝滚筒转动 相反方向摆动，测力杠杆一端的力或位移经传感器转换成与制动力大小成比例的电信 号。从测力传感器送来的电信号经放大滤波后，送往a d 转换器转换成相应的数字 量，经计算机采集、存储和处理后，检测结果由数码管显示或由打印机打印出来。打 印格式与内容由软件设计而定。一般可以把左、右轮最大制动力、制动力和、制动力 差、阻滞力和制动力时间曲线等一并打印出来。 在制动过程中，当左、右车轮制动力的和的值大于某一值( 如5 0 d a n ) 时，计算 机即开始采集数据，采集过程所经历的时间是一定的( 如3 s ) 。经历了规定采集时间 后，计算机发出指令使电动机停转，以防止车轮剥伤。在有第三滚筒的制动试验台 上，在制动过程中第三滚筒的转速信号由传感器转变成电信号后输入计算机，计算车 轮与滚筒之间滑差率。当滑差率达到一定值( 如2 5 ) 时，计算机发出指令使电动机 停转。如车轮不驶离制动台，延时电路将电动机关闭3 - - 1 0 s 后又自动启动。检测过程 结束，车辆即可驶出制动试验台。 由于制动力检测技术条件要求是以轴制动力占轴荷的百分比来评判的，对总质量 不同的汽车来说是比较客观的标准。为此除了设置制动试验台外，还必须配备轴重计 或轮重仪，有些符合式滚筒制动试验台装有轮重测量装置。其称重传感器( 应变片 式) 通常安装在每一车轮测试单元框架的4 个支承脚处。 g b 7 2 5 8 1 9 9 7 2 0 0 4 机动车安全运行技术条件中定义制动协调时间是从驾驶员 踩下制动踏板的瞬间作为起始计时点，为此，在制动测试过程中必须由驾驶员通过套 装在汽车制动踏板上的脚踏开关向试验台指示、控制装置发出一个“开关”信号，开 始时间计数，直至制动力与轴荷之比达到标准规定值的7 5 时瞬间为止。这段时间历 程即为制动协调时间，通常可以通过试验台的计算机执行相应程序来实现。 3 3 汽车制动试验台的使用方法 3 3 1 测试前的准备 1 试验台的准备： 长安大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 检查试验台滚筒上有无泥、水、油等杂物，如有则应清楚干净。 ( 2 ) 使滚筒在无负荷状态下运转，检