（农业机械化工程专业论文）基于labview的制动性能测试系统研制.pdf

基于l a b v i e w 的制动性能测试系统研制 摘要 虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术、数据采集技术和 通信技术基础上，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成 各种测试、测量和自动化的应用。论文紧密结合当前交通安全和汽车服务 发展需要，以l a b v i e w 为软件开发平台，以安全法规标准“g a t 4 8 5 2 0 0 4 便携式制动性能测试仪”为依据，利用虚拟仪器技术独特的数据运算与分析 功能，实现车辆制动性能的检测。 论文首先介绍当前车辆制动测试技术的应用研究现状、l a b v i e w 软件、 基于l a b v i e w 的制动性能测试系统特点，接着结合车辆制动性能特点和评 价参数，以国家安全法规标准“g a t 4 8 5 2 0 0 4 便携式制动性能测试仪”对测 试系统的要求为依据，提出测试系统的测试功能，进而进行测试系统的设 计，包括测试系统的组成、原理、硬件配置、电路设计、测试软件开发和 测试系统的静态标定。论文研究的创新之处是利用双轴加速度传感器同时 采集车辆行驶方向和纵向减速度信号、以软件为数据运算分析核心、即时 进行数据分析以及同时运用波形和数据两种形式动态显示车辆制动参数变 化过程，最后以哈飞赛马h f j 7 1 3 0 为测试对象，按国标“g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动 车运行安全技术条件 和“g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方 法 的要求进行了车辆制动性能测试实验。测试结果表明，该系统性能稳定， 灵敏度高，精度好，达到设计目标的要求。 关键词：车辆制动性能l a b v i e w 测试系统试验 d e v e l o pv e h i c l eb r a l i n gp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e mb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hb a s e do nt h el a t e s tc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nt h e w o r l dt o d a ya n dd a t ac o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fn o w a d a y s w o r l d ，u s e dh i g h - p e r f o r m a n c em o d u l a r i z a t i o n a lh a r d w a r e ，w i t hh i g h l ye f f i c i e n t a n df l e x i b l e s o f t w a r et o c o m p l e t e v a r i o u s t e s t s ，m e a s u r e m e n t s a n d a u t o m a t i z a t i o na p p l i c a t i o n s t h ep a p e ri nc l o s ec o n n e c t i o nw i t ht h ec u r r e n t t r a f f i c s a f e t ya n da u t o s e r v i c ed e v e l o p m e n tn e e d s ，b yd i n to fs o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m l a b v i e wd e s i g n e d s o f t w a r e ，g r o u n d e d o n s a f e t y r e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d sg a t 4 8 5 - 2 0 0 4p o r t a b l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t i n s t r u m e n t , u s i n gau n i q u ed a t ac o m p u t ea n da n a l y s i s f u n c t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n tt ot e s tb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e a tf i r s t ，t h e p a p e r i n t r o d u c e d a p p l i c a t i o n r e s e a r c hs t a t u s q u o o ft h e c u r r e n t l yv e h i c l eb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t i n gt e c h n o l o g y , a n dt h e ni n t r o d u c e d s o f t w a r eo fl a b v i e wa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t i n g s y s t e mw h i c hb a s e do nl a b v i e w c o m b i n ew i t ht h eb r a k i n gp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ea n de v a l u a t i o np a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f n a t i o n a ls a f e t yr e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d sg a t 4 8 5 2 0 0 4p o r t a b l eb r a k i n g p e r f o r m a n c et e s ti n s t r u m e n t ，t e s t i n gs y s t e mi sa s k e dt oh a v et e s t i n gf u n c t i o n h e r e b y , t h ec o m p o s i n g ，w o r k i n ge l e m e n t s ，f r a m eo fh a r d w a r e ，c i r c u i td e s i g n ， d e v e l o p m e n to f t e s ts o f t w a r ea n ds t a t i cc a l i b r a t i o nf o rt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i n n o v a t i o no fp a p e ri su t i l i z i n gt w oa x i sa c c e l e r a t i o ns e n s o rt oa c q u i r eb r a k i n g d e c e l e r a t i o ns i g n a lo fr u n n i n gd i r e c t i o na n dv e r t i c a ld i r e c t i o n ，a n di ta l s ou s e d i i s o f t w a r ea st h ec o r eo fd a t ac o m p u t ea n da n a l y s i s ，t oa n a l y s ed a t ai n s t a n t l y , a t t h es a m et i m es h o wd y n a i n i cc h a n g i n gp r o c e s so fv e h i c l eb r a k i n gp a r a m e t e r s w i t hu n d e ed a t aa n dn u m e r i c a lv a l u ed a t a a tl a s t ，t a k e nh af e is a im a h f j 713 0a st e s to b j e c t ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s t so ft h es t a n d a r d so f7 2 5 8 2 0 0 4 t e c h n i c a lc o n d i t i o n so f t h es a f eo p e r a t i o no f m o t o rv e h i c l e sa n dg b l 2 6 7 6 - 1 9 9 9 a u t o m o b i l eb r a k i n gs y s t e ms t r u c t u r e , p e r f o r m a n c ea n dt e s tm e t h o d s tt om a k e s o m et e s t so ft h eb r a k i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt e s t i n g s y s t e mh a ss t a b l ep e r f o r m a n c e ，g o o ds e n s i t i v i t ya n dh i g hp r e c i s i o n ，w h i c hm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h et a r g e t k e yw o r d s ：v e h i c l e ；b r a k i n g p e r f o r m a n c e ；l a b v i e w ；t e s t i n gs y s t e m ；t e s t i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：勰治认 炒8 年舀月哆日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择 ： 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论二作者签名：影经俘葛l 导师签名：i 穸久目月沙。辟6 月2 弓日 广西大掌硕士学位论文基于l a b v l e w 的制动性能测试系统研制 第一章前言 1 1 当前车辆制动测试技术的应用与研究 车辆制动性能直接影响车辆行驶、停车的安全性，是安全行车的重要因素之一。为 保证车辆的安全性，必须准确地进行制动性能检测。机动车运行安全技术条件 ( g b 7 2 5 8 2 0 0 4 ) 中规定了三种制动性能检验方法，即道路试验( 路试) 、制动减速度检 验和制动力检验台检验( 台试) 。在汽车发展的早期，主要是依靠维修人员的经验发现汽 车的制动故障并作有针对性的修理，随着汽车技术的发展，特别是现代电子技术、计算 机技术的进步，汽车制动检测技术也不断更新【1 】。 1 1 1 测试设备 目前，国内外汽车制动性能测试设备主要分两类：一类是室内制动试验台，室内制 动试验台是最早投入实际应用的汽车性能测试设备之一，历史悠久，技术比较完善【2 1 。 制动试验台可归类为平板式或滚筒式，分别利用惯性原理和反力原理检测车辆制动力。 一类是车载式便携试验装置，车载式便携试验装置是在试验道路上对汽车制动性能进行 实际检测的设备，该类型设备由传感器将被测非电物理量转换为电信号，经信号调理部 分处理后，最终由数据处理器将电信号还原为被测物理量，车载式便携试验装置能够直 接检测制动减速度和制动距离。 国外较出名的制动试验台系列有如r o b o t e r m 公司的s t o r o 系列，s u n 公司 的s b a 6 0 0 0 。s b a 2 0 0 0 系列反力式制动台，m a h a 公司的i w 4 l o n 系列、i w 2 w b 系统 掣3 1 。国产制动试验台实际使用效果和国外先进试验台相比差距不大，这方面的代表有 合肥华西科技开发有限公司的k d z d 系列制动检验台、成都弥荣科技发展有限公司 b t - 3 0 0 e 1 0 0 0 e 1 3 0 0 1 3 系列制动检验台，肇庆华尔车辆检测设备有限公司的z d 系列 等【4 1 。便携式试验装置国内目前还处于研发阶段，而国外相关设备早在8 0 年代末9 0 年 代初就随着计算机技术的兴起和制造业水平的提高而开始起步，迄今为止己经有许多技 术上非常成熟的产品如福特、博世等公司开发的车载式汽车性能测试装置。 1 1 2 测试方法 测试方法是指测试系统核心部分所采用的技术手段。数据分析处理部分是测试系统 的核心，决定测试系统的响应速度和测试准确度。国内外科研机构、测试设备生产企业 基于l a b v i e w 的制动性能湖q 试系统研制 和高校都在尝试将最新的技术和理念运用到车辆制动测试数据分析处理环节，这些技术 归纳起来，主要有以下几种： 1 单片机技术 单片机技术的日益成熟和性能的逐步完善，使得单片机成为制动性能检测中运用最 多的手段。传感器产生的信号经单片机控制器处理后输入到数据存储器或者显示模块。 另外就是单片机与计算机技术的结合使用，利用c 语言或b 语言编制的软件对信号进 行分析处理，现在市场上成熟的制动性能检测产品基本上是基于单片机技术。康鸿雁在 一种基于单片机的机动车辆制动性能测试仪设计介绍了以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心， 以a d x l 2 0 2 为主要探测部件的汽车制动性能测试仪【5 1 。广东工业大学的王翔等人在一 种汽车制动性能检测仪的研制提出采用a t 8 9 c 5 2 作为c p u 研制制动性能检测仪【6 1 。 2 s o p c 技术 s o p c ( s y s t e m o nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是以p l d ( 可编程逻辑器件) 取代a s i c ( 专用集成电路) ，是更加灵活、高效的技术s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 解决方案。 s o p c 代表一种新的系统设计技术，运用该技术进行车辆制动性能的测试，就是采用a p e x t m 2 0 k 2 0 0 e k i t 作为硬件开发平台，利用e d a _ i 具完成n i o s 系统配置，包括选择、 c p u 设定、各部分接口模块的设计、确定系统互联逻辑、分配f p g a 的引脚等。采用n i o s s d ks h e l l 环境及软件开发包( s d k ) 实现检测系统的软件开发，由f p g a 来完成数字电 路部分的设计、滤波和数据采集的任务【3 1 。张忠波在基于s o p c 技术的汽车制动性能检 测中设计并实现了基于s o p c 的制动性能检测系统【4 1 。 3 虚拟仪器 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统【7 1 。虚拟仪器是 虚拟技术的一个重要组成部分，是一种将计算机技术与仪器技术有机结合，由计算机控 制的模块化仪器系统，是测控技术领域的一个重要发展方向。目前，一些高校开始利用 虚拟仪器进行车辆制动性能测试装置的研究，如哈尔滨工业大学的崔胜民，李建如在基 于虚拟仪器的汽车制动性能测试系统中提出了采用l a b v i e w 开发制动测试系统【引。薛 金林在虚拟仪器技术及其在农用车辆性能测试中的应用介绍了虚拟仪器这项技术在 拖拉机性能测试中的应用，构建出在农用车辆性能测试中可替代某些现有测试仪器的虚 拟仪器【9 1 。吉林大学交通学院的刘玉梅等入在基于虚拟仪器的车辆性能测试系统提 出了通过多传感器采集和数据融合，配以p c 机平台和虚拟仪器软件，构成汽车各种性能 的数据采集控制仪器和系统，从而将多种数字化的汽车性能测试仪器虚拟化为以p c 机为 2 基于l a b v i e w 的制动性能测试系统研制 核心和硬件支持的数字化、柔性化、智能化的汽车性能虚拟集成测试系统【1 0 】。浙江大学 汽车学院根据拖拉机性能检测的特点，开发了一套基于虚拟仪器的拖拉机性能综合检测 仪。除了上述高校，一些计量器械生产厂家也开始利用虚拟仪器开发新的测试系统，但 目前都处于构思和尝试阶段，没有成熟产品面世。杨清梅曾在虚拟仪器技术及其在工 程测试中的应用大胆的预测：虚拟仪器技术是目前自动测试技术及测量系统的重要发 展方向 1 l 】。 1 2l a b e w 软件特点 l a b v i e w 全称是l a b o r a t o r yv t r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r kb e n c h ，是美 雪n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 简称n i ) 公司推出的图形化软件开发环境，是世界上最优秀的虚拟仪器 软件开发平台之一，其开发的虚拟仪器的外型与操作方式可以模拟实际的仪器，但l a b v i e w 程序更加方便修改设置和功能【1 2 1 。利用l a b v m 可产生独立运行的可执行文件，是 一个真正的3 2 位编译器，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，特别适用于多 品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分 析研究、传输等场合，是公认的标准数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 不仅提供了遵 从g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 和r s 一4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支 持t c p i p 等软件的标准库函数【1 3 1 。 l a b v i e w 的功能还可以通过增加附加模块或附加工具套件进行进一步的扩充。附加 工具套件加入了用于诸如数据库连接、高级测量分析与复杂报告生成等功能的整套虚拟 仪器程序，进一步为实时操作、f p g a 编程和p d a 配置等高级应用提供了功能强大的开 发工具【1 2 】。像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供t w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h 的多种版本。同c 或c + + 等其它计算机高级语言类似，l a b v i e w 也是一种通用编程系统， 具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、g p m 、串行仪器控制、数据分析、 数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。l a b v i e w 具有完善的仿真、 调试工具，如设置断点、单步等。其动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中 的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且与其它计算机语言 相比，有一个重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而 l a b v i e w 采用图形化编程语言【14 1 。 1 3 基于l a b v i e w 的制动性能测试系统的特点 1 数据准确性、实时性好 3 ，西大掌硕士学位论文羞r r f l v - l a b v l e w 的制动性能测试系统研制 完全基于硬件的测试仪器操作次数多了可能会出现滑丝、指示不准等机械故障，导 致测量误差大。而基于l a b v i e w 的测试系统核心部分由软件构成，操作简单，受电缆 长度、阻抗和仪器修正因素的影响较小，提高了测量的准确性和可重复性，试验显示， 减速度测试系统中x 、y 轴回程误差分别为0 8 2 和o 7 8 ，重复性分别为0 6 8 和o 8 1 ， 综合误差分别为1 4 7 和1 4 0 。位移测试系统的非线性误差和综合误差分别为1 1 1 和1 9 4 ，数据的显示精度通过软件定义为0 0 0 1 。另外，数据采集卡采样率达到2 0 0 k s s ， 保证了测试信号的完整性和及时性，借助计算机技术和l a b v i e w 齐全的功能模块，能 够实时显示并分析车辆在制动过程中的动态状况。 2 操作使用方便 测试系统硬件拆装方便，硬件之间接口简单，连线容易，只需对采集卡的端口稍作 了解即可；软件操作更加容易，只需掌握开始、停止和存储按钮的使用。 3 功能齐全 利用采集卡的多通道同步采集技术，可以同时对减速度信号和位移信号进行同步分 析，保证了关联信号同步性的同时也保证了功能的齐全，利用l a b v i e w 内置时钟和时 间v i 能够准确的测算出制动时间和即时频率，利用时间、制动减速度、位移、频率之 间的关系，能够计算出充分发出的平均减速度和即时速度，所以反映车辆制动性能的关 键指标都能够得到测量。 4 动态显示制动过程 测试系统开发有减速度示波器、平均速度示波器和速度频率示波器，能够以波形实 时动态显示以上参数在车辆制动过程中的变化状况，另外，用户界面上配有时间表和即 时转速表，使得用户观察时间和转速更加方便。 5 维护及更新速度快 数据运算及分析是测试系统的核心部分，制幼测试系统中数据运算及分析完全由基 于l a b v i e w 的软件进行，由于l a b v i e w 为图形化编程软件，可以在相对较短的时间 内根据不同用户对测试系统的要求修改检测功能，数据显示精确度在软件中直接调整即 可。一旦软件开发平台l a b v i e w 的功能发展得更加强大，测试软件只需在后面板将原 函数更换为已经升级的函数即可。 4 基于l a b v l e w 的制动性能测试系统研制 1 4 车辆制动性能的评价参数 1 4 1 制动距离 制动距离是指机动车在规定的初速度下急踩制动踏板时，从脚接触制动踏板( 或手 触动制动手柄) 时起至机动车停住时止机动车驶过的距离【1 5 】。制动距离是一种动态检测 参数，检测只能在室外进行，一般需要有专用的试验场地。 设t 2 为制动系响应时间、t 2 2 为制动力增长时间、v 为制动初速、a 为制动减速度、 制动器起作用阶段车辆行驶的距离为& 、持续制动阶段汽车驶过的距离为。则汽车 在制动两阶段内驶过距离的和便是制动距离s ，即【1 】 肚墨+ 最= 丢w ( f 2 - + 等) ( m )( 1 - 1 ) 由式1 1 可见，决定汽车制动距离的主要因素是：制动系作用时间、制动器的最大 制动力以及制动初速，其中制动初速和制动位移是平方的关系，其对制动距离的影响尤 为显著。制动距离的长短直观地体现了汽车制动效能的高低，是表征汽车制动性最基本 的参数，系统运用五轮仪和光电速度传感器进行制动距离检测。 1 4 2 制动减速度 制动减速度的大小是汽车降低行驶速度能力强弱的量化体现，也是表征汽车制动效 能的重要特征参数，在其他条件一定时制动减速度的大小是制动系外表显示，在很大程 度上反映了制动系的总体状况【。测试系统运用加速度传感器检测汽车制动减速度，并 在测试软件中开发减速度示波器动态显示其变化趋势。 汽车制动过程中，制动减速度是变量，因此只有其均值才能准确的反映汽车的制动 性，所以，通常都是用平均制动减速度表征汽车的制动性。虽然计算减速度值的上下限 取值区间均在持续制动阶段的范围内，但同一制动过程计算所得的平均减速度值也将伴 随取值区间而异【1 1 。为此，联合国欧洲经济委员会( e c e ) 第十三号法规对计算平均减 速度的取值区间作了规定，并将计算得到的平均减速度冠名“充分发出的平均减速度 ( m e a i lf u l ld e v e l o p e dd e c e l e r a t i o n ，m f d d ) ”，即【1 5 】【1 6 】 m f d d ：丝二篓( m s 2 ) ( 1 - 2 ) 2 ( s 。一s b ) 式中： 括0 8 v 的汽车制动车速，m s ； 5 基于l a b v l e w 的制动性能涠9 试系统研制 刈1 1 ，的汽车制动车速，m s ； 曲一汽车制动车速从到的行驶距离，m ； 卜车制动车速从到的行驶距离，m 。 上式中的、k 、& 和足都是通过汽车道路试验实测得到。测得的试验数据可绘制出制 动车速与制动距离曲线，从曲线就可提取计算m f d d 所需要的数据，如下图1 - 1 所示。 v o 8y s b s 距离 图1 - 1 汽车制动距离与制动车速曲线示例u f i g 1 - 1t h ee x a m p l e so f a u t o m o t i v eb r a k i n gd i s t a n c ea n db r a k i n gp e e dc u r v e 1 4 3 制动力 制动力是制动过程的基本输出参数，通常所说的制动力都是指路面制动力，它是制 动器的摩擦力矩( 即制动力矩) 在具体道路条件的体现，其主要取决于两个摩擦副的摩 擦力：制动器内制动摩擦片与制动鼓( 盘) 间的摩擦力和轮胎与地面间的摩擦力【”】。 汽车的制动器制动力的大、小完全取决于制动系的状况，制动系结构参数的变量最 终都体现为制动器制动力的变化，所以制动器制动力是最重要的表征制动系技术状况的 参数【1 3 】。制动力利用制动试验台进行检测，道路试验中制动减速度、制动距离和时间能 够对车辆制动过程的状况进行完整的描述，另外制动力和制动减速度之间存在一定的线 性函数关系，考虑到方便系统维护、软件开发简单化以及节省投入成本，没有在测试系 统中开发制动力测试、分析模块。 1 4 4 制动时间 制动时间是指制动过程所经历的时间，是表征制动过程的重要参数，为便于分析制 动过程的各个阶段，常将制动时间按制动阶段分成制动响应( 滞后) 时间、制动力增长 时间、持续制动时间和制动放松时间【l 】。 驾驶员响应时间完全取决于驾驶员的素质，在车辆状况、车辆运行条件完全一致的 条件下，驾驶员响应时间的长、短因人而异，与车辆技术状况无关，故而至今对驾驶员 6 广西； o 曼硕士掌位论文基于l a b vie w 的制动性能测试系统研制 制动响应时间尚无法检测【l 】。由于制动器各铰链和轴承之间存在间隙，制动蹄片与制动 鼓( 盘) 间存在间隙，以及要克服蹄片复位弹簧的拉力，要消除制动踏板的自由行程等 原因，制动踏板力出现一段时间后才出现制动减速度，制动力不随踏板力同步出现的时 间差称为制动系响应时间【3 】。另外，制动力由零增大到最大值也需要一定的时间。 持续制动时间是指制动过程中制动力( 或制动减速度) 基本保持稳定值的时域。其 他条件一定时，持续时间的长、短，首先取决于稳定的制动力值的高、低；当制动力值 相同时，持续制动时间的长、短就取决于制动初速，制动初速越高，持续制动时间就越 长【1 8 】。制动放松时间是指从驾驶员放松制动踏板时刻起至制动力消失所经过的时间【1 1 。 制动测试系统以驾驶员脚接触踏板时施加一定的力度使得踏板开关接通时起至车 辆完全停止行驶所消耗的总时间作为制动时间，由测试软件时间计时模块计算得到。 f p ，口 0 图1 - 2 汽车制动减速时间【i 】 f i g 1 - 2b r a k ed e c e l e r a t i o nt i m eo f a u t o m o b i l e r 制动踏板力； 口制动减速度； t l 驾驶员反应时间； t 2 l 制动系响应时间； t 2 r 减速度( 制动力) 增长时间： f r 名0 动器作用时间； 妒一寺续制动时间； “制动器释放制动力所需的时间。 7 基于l a b v i e w 的制动性冀毛测试系统研制 1 5 测试系统的测试功能 1 5 1 车辆制动过程的测量功能 车辆制动过程中，测试系统的光电速度传感器即时产生和位移成一定比例关系的脉 冲信号，与此同时，系统的双轴加速度传感器产生车辆制动前进方向减速度以及和行驶 方向垂直的纵向减速度信号，信号通过硬件处理后输入测试软件，测试软件根据输入的 信号计算出制动初速度、车辆制动距离、即时车速、纵向和行驶方向减速度。运用软件 的数组索引和存储功能，寻找到o 1 倍初速度值和0 8 倍初速度值所对应的制动距离， 进而计算出充分发出的平均制动减速度。系统软件计时模块能准确的计算出制动时间， 使用户从时间这一最直接的参数判断车辆制动性能，系统显示功能模块的示波器直观显 示出减速度、即时速度和脉冲频率在制动过程中的动态变化。另外，触发采集模块保证 系统同步采集光电速度传感器和加速度传感器的信号。为消除零位误差，系统零位测量 模块测出零位电压值供后续程序运算消除。 1 5 2 车辆制动过程参数分析功能 测试系统的分析处理模块对采集到的信号进行相关时域和频域分析。信号的时域分 析是根据信号的时间历程记录、分析信号的组成和特征量。通过分析可以确定：减速度 信号波形的幅值参数、波形的各次谐波分量的幅值和频率、波形的均值以及转速脉冲频 率。频域分析是根据信号的频域描述来估计信号的组成和特征量，系统分析出即时速度 脉冲频率范围、减速度各信号之间的相关性以及时间信号的f f t 谱、并对即时速度进行 曲线拟合。 8 基于l a b v i e w 的制动性冀皂测试系统研制 第二章测试系统的设计 2 1 测试系统的组成 测试系统主要由计算机、数据采集卡、传感器、五轮仪、五轮仪调节机构、电路集 成盒、电源( 蓄电池) 及一些辅助设备构成。系统总体结构如下图2 - 1 所示。 计算机在测试系统中起着数据运算分析、数据显示、数据存储的作用，是用户与测 试系统的对话平台，用户通过安装在计算机内的测试软件控制测试系统的开始与停止。 数据采集卡接收从信号调理电路输出的信号，并对信号进行a f d 转换后输入计算 机。 测试系统的传感器包括加速度传感器和光电速度传感器，加速度传感器用于感受制 动测试过程中试验车辆的制动减速度，并将感受到的减速度转换为电压信号。光电速度 传感器在制动测试过程中产生和车辆制动距离成正比例关系的脉冲信号，间接反映制动 距离和平均速度，其产生脉冲的频率和即时速度存在直接对应关系。 五轮仪安装在试验车辆尾部，同车辆保持一致运动状态，五轮仪行驶距离和车辆的 行驶距离相同。安装在五轮仪旋转轴上的信号盘控制光电传感器的通断，其转速决定光 电传感器产生脉冲的频率。 调节机构具有固定和调节的双重作用，将五轮仪固定在车辆尾部和车辆运动致， 同时，调节机构的调整弹簧能够保证五轮仪始终在一定压紧力下和试验道路接触。 稳压电源电路、减速度信号调理电路、数字隔离电路集成在电路集成盒内。稳压电 源电路将车辆蓄电池供电电压转换为稳定电压，保证测试系统供电安全。减速度信号调 理电路对加速度传感器产生的减速度信号进行滤波和线性光电隔离，数字隔离电路对光 电速度传感器产生的信号进行数字光电隔离。 试验车辆蓄电池提供测试系统工作电源，保证测试试验的长时间连续进行，并节省 了额外电源成本。 除上述设备，一些辅助设备在测试系统的连接、固定和装配中起着重要作用。计算 机台架固定在车厢内( 和车辆无相对运动) 供测试中计算机、采集卡和电路集成盒摆放； 数据线在测试系统中起着数据传输和连接硬件接口的作用。 测试系统按测试功能可分为减速度测试系统和制动距离测试系统，减速度测试系统 由加速度传感器、减速度信号调理电路、数据采集卡以及计算机构成。制动距离测试系 9 基于l a b v l e w 的 i 动性能诩q 试系统研制 统由五轮仪、光电速度传感器、数字隔离电路、数据采集卡以及计算机构成。 广 l i l l l f l i i i i l 图2 - 1 系统总体结构图 f i g 2 - 1c o l l e c t i v i t ys t r u c t u r e o ft h es y s t e m 2 2 测试系统的工作原理 2 2 1 测试原理 制动试验过程中，加速度传感器固定在车厢内，和待测车辆保持一致运动状态，五 轮仪采用专用的调节机构悬挂在车辆后桥上，跟随车辆运动，制动踏板上布置一脚踏式 位移信号 开始采 减速度信号 图2 - 2 采集系统触发同步示意图 f i g 2 2c o l l e c t i o ns y s t e mt r i g g e rs y n c h r o n i z a t i o ns k e t c h 微动控制开关，状态为常开，开关输入端接到光电速度传感器信号输出端口，开关输出 端和光电速度传感器信号调理电路的输入端连接。车辆制动开始，踏板控制开关接通电 路，五轮仪上的光电速度传感器则产生和制动距离成正比关系的脉冲信号，经数字隔离 1 0 基于l a b v i e w 的制动性能测试系统研制 后成标准的1 v r l 电平输入到数据采集卡，数据采集卡计数器统计数字信号周期，并通 过u s b 数据线将其输入计算机中，制动距离采集模块从设置的对应通道中读出数据， 测试软件触发采集模块保证加速度传感器和光电速度传感器采集同步性以及数据的准 确对应，当计数器捕捉到t t l 电平的第一个上升边沿，立即触发加速度传感器进行采 集，由于采集卡的响应速度非常快，触发时间很短，从而基本上保证了采集同步性。加 速度传感器产生和制动减速度成一定比例关系的电压信号，此时的电压信号是模拟信 号，电压值非常低，且其中混有干扰信号，如果直接进行a d 转换和分析，则信号很容 易失真，且整个测试系统安全性和稳定性极差，必须经过信号调理电路预处理后才能输 入采集卡进行a d 转换，利用l a b v i e w 开发的测试软件对信号进行分析和运算，得出 加速度极值、信号幅频特性、制动时间、制动距离、平均减速度等制动参数。 车 辆 制 动 同 步 控 制 开 加速度传感 器 速度传感器 调理及线性 隔离电路 调理及数字 隔离电路 数 据 采 集 卡 测 试 软 件 1 制动距离 2 制动时间 3 充分发出的平： 减速度( m f d d ) 4 瞬时速度 5 瞬时减速度 图2 3 系统工作流程图 f i g 2 - 3w o r kf l o wp i c t u r eo fs y s t e m 2 2 2 车速的测量 车辆制动试验的初速度按照国标设定，制动过程中的瞬时车速通过车速与频率的关 系计算，即运用频率计数法进行测量。频率计数法是目前转速测量中应用较多的一种方 法，它是将待测转速通过转速传感器转化成为与转速成正比的电脉冲信号，再由电子计 数器测出该电脉冲信号的频率或周期，从而求得待测转速，这就是通常所说的测频法测 量转速和测周法测量转速。测频法适用较高转速，当被测量转速较低时，应用测频法测 量转速会带来较大的误差，此时宜选用测周法测量转速【1 9 】。机动车运行安全技术条件 ( g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 ) 规定制动试验的初速度最高为5 0 k m h ，所以制动过程中五轮仪转速并 不高，综合考虑，在此系统中选用频率计数法中的测周法测量五轮仪的转速。 测周法是以标准时钟脉冲填充待测脉冲，计数器累计一个待测脉冲信号周期致内 的标准时钟脉冲数，从而求得待测转速以。下图2 - 4 为用测周法测量转速的原理图。其 工作原理如下：经过放大整形后的晶振脉冲信号( 频率为石、周期为乃) 被传输到主门 的输入端，使从速度传感器输出的待测脉冲信号( 频率为厶、周期为致) 进入控带, j f - j 。 广西大学硕士掌位论文基于l a b v l e w 的制动性能测试系统研制 设第一个待测脉冲信号进入控制门时，使门内的双稳态触发器再次翻转，使主门关闭， 不允许晶振脉冲通过。两个待测脉冲信号之间的间隔，即为待测脉冲信号的周期戤。所 以计数器累计的即为在乃内的晶振脉冲数d ，晶振脉冲的周期乃可以通过时标旋钮调 节，则待测周期t x = n o x t o ( 灿或m s ) ，所以待测转速为【1 9 】： 力：生( 2 1 )力= = rz l ， z t x t 工为以s 为单位的霸值；z 为被测轴每旋转一圈所产生的脉冲信号个数。 图2 _ 4 测周法原理框图i f i g 2 4t h ep r i n c i p l e sd i a g r a mo fm e a s u r i n gp e d o d s 转速 果 图2 - 5 采集卡d a qp a d - 6 0 1 6 测速度原理框图 f i g 2 5 m e a s u r e m e n ts p e e dp r i n c i p l e sd i a g r a mo f c o l l e c t i o nc a r dd a qp a d - 6 0 1 6 根据测周法测量原理，且有效地利用采集卡资源，可以将采集卡n id a qp a d 6 0 1 6 的计数器p f l 3 c t r l s o u r c e 设置为脉冲计数器，利用采集卡自身的晶振和定时器计 数器相结合，代替晶振器和时基分频器，p f l 8 c t r o s o u r c e 提供时基信号，速度信号 可如下图2 5 所示输入采集卡。被测信号由计数器1 的s o u r c e 口接入，g a t e 口接入 计数器0 的闸门信号，采集卡内部信号源提供的时基信号频率为定值，以时基信号为基 准，计算出每个数字波形周期内出现时基信号的次数，计数器1 0 u t 端的输出则是 1 2 基于l a b v i e w 的制动性 皂洌q 试系统研制 s o u r c e 端输入信号的频率，测试软件根据计数器1 输出的频率计算出车速。 y ：竺x t ( m s )( 2 2 ) 刀， 卜车辆瞬时速度( m s ) 刀信号盘通孔数量 d 一五轮仪直径 ( m ) 弘_ 擞字信号即时周期 ( s ) f 时基信号周期 ( s ) 2 2 3 制动距离的测量 测试系统的制动距离由装有光电速度传感器的五轮仪测定，测试时，五轮仪和试验 车辆行驶状态保持一致，五轮仪每旋转一圈，则行驶距离为五轮仪车轮一个周长。信号 盘和五轮仪同轴，旋转角速度相等，信号盘嵌入光电速度传感器u 型槽，信号盘上均匀 开有多个通孔用以控制光电速度传感器通断，通孔排列成和信号盘同圆心的圆周，信号 盘( 五轮仪) 转动一周，光电速度传感器接收器感光次数与小孔数目相同j 从而产生相 应数量的脉冲信号，脉冲信号经调理后成数字信号( t t l 信号) ，数字信号上升边沿数 和光电速度传感器产生的脉冲数相等，最终测试软件统计出的总上升边沿数和五轮仪每 圈产生的脉冲数比值则为五轮仪行驶总圈数，通过总行使圈数和五轮仪车轮周长的乘积 计算出车辆制动距离。 设光电速度传感器的信号盘通孔数有z 个，五轮仪直径为d ，最终统计的上升边沿 总数为c ：则制动距离s 为： s ：坐 ( m ) ( 2 3 ) z 2 2 4 制动时间的测量 ，运用数据计时进行制动时间的测量，测试时，当驾驶员进行车辆制动时，微动 开关接通，光电速度传感器的信号通过信号调理电路处理后输入采集卡，当测试软件的 采集模块接收到信号，立即触发软件计时开始运算计时，车辆停止行驶后，安装在 五轮仪上的光电速度传感器停止运转，转速脉冲信号结束，因而测试软件采集模块从采 集卡计数器端口捕捉到的t t l 信号边沿数不再增加，计时模块停止运算，软件前面板 数据显示区域的时间表和时间显示端口的最终值即为制动时间，时间存储v i 将时间的 变化过程保存到指定目录。 1 3 基于l a b v i e w 的制动性能谢g 试系统研制 2 2 5 制动充分发出的平均减速度的测量 充分发出的平均减速度m f d d ，是一个最终的评价指标，只需在测试完成后得出结 果即可。所以借助软件的变量存储、调用和运算功能即可实现。运用l a b v i e w 的数组 索引功能和c a s e 循环将0 8 ，和0 1 v 时对应的位移值从制动距离数组分离出来并存储， 当车速低于0 1 v 时提取，按照m f d d 的运算公式( 1 2 ) 进行计算。 2 2 6 制动踏板力的测量 踏板力是车辆制动过程中，驾驶员施加到踏板上的力。g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行 安全技术条件对车辆在道路制动性能检测中踏板力的大小有一定要求，规定1 5 】： ( a ) 满载检验时 气压制动系：气压表的指示气压额定工作气压； 液压制动系：踏板力，乘用车5 0 0 n ； 其它机动车 7 0 0 n 。 ( b ) 空载检验时 气压制动系：气压表的指示气压6 0 0 k p a ； 液压制动系：踏板力，乘用车4 0 0 n ； 其它机动车 4 5 0 n 。 踏板力受驾驶员在开始制动瞬间的动作幅度和驾驶员自身体重等客观因素影响，一 般难以准确把握在国标要求的范围内，所以要求选择经验丰富的驾驶员操作车辆，在进 行制动测试前，驾驶员需提前练习在规定踏板力范围的制动，找到合适自己的动作幅度， 借助踏板力传感器