（车辆工程专业论文）汽车碰撞中数据采集系统的分析与研究.pdf

摘要 近年来，汽车交通事故每年在全世界导致大量的人员伤亡和经济损失，迫 使各国政府和汽车生产企业投入大量的人力和物力从事汽车安全性研究。特别在 我国，由于人口及道路条件等多方面的原因，导致近年来汽车安全事故的损失逐 年上升，而且人们对汽车安全性能的关注程度比以前有很大的提高，这些因素促 使我们必须制定严格的汽车安全法规和重视对汽车安全领域的科学研究来促进 汽车安全性的提高。 本文首先研究了国内步卜汽车碰撞安全性的发展水平、试验研究现状和相关 法规标准。对实车碰撞的试验方法乖i 试验设备给了一定的介绍。在碰撞试验中假 人是汽车动态试验不可缺少的工具。它对汽车安全事业的发展起着无法替代的作 用假人模仿人的外形和内部结构，用于研究碰撞对车内驾乘人员的损伤情况。 为准确反映机动车及其部件对乘员保护的响应和试验的重复性，假入标定是不可 缺少的环节。本文介绍了h y b r i dl l i 假人头部、颈部、胸部、雌豪部这些主要部位 的标定要求和标定程序。 在碰撞试验中，电测量技术也是关键技术，其测量项目包括碰撞过程中的 减速度信号、固定壁障的碰撞力和乘员响应的测量。采集系统的硬件介绍和上位 机软件设计是本文论述的两个关键方面，是从测试方法微观的角度考虑来解决实 际问题。对数据采集系统的硬、软件组成与编程技术进行了详细的分析采用 v b 结合c + 十语言进行编程，有效地简化了软件设计。借助m a t l a b 和v b m a t r i x 建立的数据分析平台对测量数据进行分析，其功能包括标度变换、数字滤波、通 道数据的合成分析、伤害指标的评价、数据的保存和打印等功能。然后根据 f m v s s 2 0 8 法规结合具体碰撞试验数据对乘员伤害指标( 头部、胸部、膝部) 进 行了分析和评价。 关键字：汽车碰撞，安全，假人，数据采集与分析 a b s t r a c t k e y w o r d s ：v e h i c l ec r a s h ，s a f e t y , d u m m y , d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 日吾 继蒸汽汽车之后，电气汽车和汽油车先后诞生，汽车的保有量 日益增加，因此汽车事故也不断的涌现。这样以来，从1 8 世纪汽车 的诞生开始，汽车的安全问题就随之产生。 随着汽车生产量和保有量大幅度增加，交通事故引起的死亡和 负伤人数也不断上升，这使人们开始重视汽车安全问题。在世界上发 生汽车交通事故最多的是美国，因为美国有全世界半的汽车。从 1 7 9 2 年开始出现蒸汽车到1 9 6 5 年，因车祸死亡总人数达到1 5 0 万人， 超过美国建国以后在历次战争中死亡人数的总和。1 9 6 5 年，美国发 生汽车交通事故1 8 0 0 万起，造成4 9 0 0 0 人死亡，1 8 0 万人负伤，造 成经济损失8 5 亿美元，相当于当时美国国民生产总值的1 2 。用户 常常把事故归结于汽车制造上的缺陷，因此不断出现法律纠纷，成为 当时种普遍的社会现象。 英国于1 8 5 8 年实施的“红旗条令”可谓世界上最早的道路交 通安全法规。2 0 世纪6 0 至7 0 年代，在汽车交通运输发达的国家， 汽车安全公害己成为威胁社会发展的严重问题。社会各界对汽车安全 给予了高度关注，各大汽车公司和研究机构开始投入大量的人力物力 从事汽车安全性的研究和改进工作。美国作为世界上汽车保有量最 多的国家，于1 9 6 6 年颁布了汽车安全法及公路交通安全法，并于1 9 6 8 年从新修订颁布了联邦机动车安全标准( f m v s s ) 。1 9 7 0 年，美国运输 部为了跟踪研究汽车安全性能，促进汽车安全技术的发展，决定实施 称为e s v ( 1 8 0 0 k g 级实验安全车) 的计划。该计划要求通过各种研究和 试验，试制出具有高度安全性的汽车。该计划以美国为倡导国，西欧 及日本的汽车公司也纷纷响应并加入该计划。世界各国为了进一步提 高汽车安全性，以e s v 国际会议为中心，进行了广泛的国际合作， 在随后的三十年间取得了许多卓有成效的成果。这些成果的推广应 用，有效地遏制了交通事故的增长，交通事故的数量及损失都呈现了 武汉理工大学硕士学位论文 下降趋势。因此，1 9 7 0 年是世界汽车安全史上值得纪念的年份，1 9 7 3 年2 月，美国运输部又提出了开发1 3 6 0 k g 级安全研究车( r s v ) 计划。 该计划提出的技术要求为8 0 年代汽车安全确定了目标，也对制订8 0 年代后期的安全标准起到了重要作用。e s v 计划和r s v 计划的实施， 使汽车的安全性能得到了很大改善，主要体现在以下几个方面：采 用吸能车体结构，有效吸收碰撞能量并保持必要的乘员生存空间。 采用截面较小、刚度较大的前风窗立柱，扩大了前方视野。采用集 中警报装置，扩大了警报内容和显示方法。 与此同时，欧洲各国开始重视提高汽车操纵性能和制动性能。 例如，1 9 7 7 年波尔舍9 2 8 轿车的半摆臂式后悬架上采用了巴扎哈型 后轴，有效地提高了行驶稳定性。为防止高速行驶时轮胎爆破或轮胎 气压过低引起行驶事故，开发了各种安全轮胎等。 为提高汽车的被动安全性，美国曾决定从1 9 7 3 年8 月起在全部 汽车上实施被动式乘员保护装置，推广使用安全带并准备使其法制 化。但由于时间紧、标准过严，遭到制造商反对而没能按时实施。1 9 7 6 年1 2 月，美国运输部长宣布对被动式乘员保护系统实行大规模、全 国性示范计划，计划自1 9 7 8 年秋天开始在5 0 多万辆汽车上装备安全 气囊或其它乘员保护装置。1 9 7 7 年6 月又公布了修正案，并规定从 1 9 8 2 年型汽车至1 9 8 4 年型汽车按轴距大小顺次装备被动式乘员保护 装置。根据这个决定，对汽车安全性研究起重要指导作用的 f m v s s 2 0 8 标准才最终定下来。 1 2 汽车碰撞安全技术的研究内容 汽车安全是一项极其复杂的系统工程，涉及到机械、车辆工程、 卫生医学、交通运输工程、法律、保险、社会学、心理学和教育等多 学科的研究领域。其研究内容可以用图1 1 来表示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 ：1 汽车安全技术研究内容和流程 交通事故损伤流行病学是利用流行病学( 研究疾病发生、流行 和预防的科学) 研究的方法和工具来研究在道路交通事故中损伤发生 的原因及类型，并研究各种方法用于评价各种避免或降低损伤的措旖 的有效性。尽管通过实验室内的受控试验可以对各种防护措施的基本 性能和防护效果给出比较客观的评价，但是，相对于复杂的现实世界 的交通事故来说，实验室内所能做的试验毕竟有限。因而，对于各种 安全措施对乘员及行人的防护效果最客观的评价还是基于对现实世 界中碰撞事故的调查与分析。交通事故损伤流行病学研究的基础是可 靠的事故数据，这些数据应该是经过交通管理部门、医院、保险公司、 汽车制造厂和相关的权威机构收集得来的。 汽车安全工程是对汽车的结构和性能进行深入研究，从主动安 全性和被动安全性两个方面改进汽车的安全性能。主动安全性研究的 是通过改进汽车的操纵稳定性、制动性、视野、质量及可靠性，开发 各种智能驾驶或警报装置来避免交通事故的发生。被动安全性研究的 是如何在不可避免的交通事故中有效地减少人员伤亡和事故损失，包 括研究整车的合理刚度分布、碰撞吸能结构、智能乘员约束系统等。 武汉理工大学硕士学位论文 汽车安全工程是实现汽车安全性改进的重要步骤。 1 3 汽车碰撞试验的方法 实车碰撞试验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效 的方法。它从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的方式来分析车 辆前后的乘员与车辆运动的状态与损伤状况，并以此为依据来改进车 辆结构的安全性设计，增设或改进车内外乘员保护装置。同时，它还 是滑车模拟碰撞、计算机模拟计算等研究的基础。虽然，实车碰撞试 验费用昂贵，周期较长，但却是不可替代的试验方法。 汽车碰撞事故可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾和翻滚等几种 主要类型。其中正面碰撞与侧面碰撞为主要的碰撞形态。这是从交通 事故的统计分析中得到的结论。在实验室真实地再现典型的碰撞过程 是分析和评价汽车碰撞中乘员保护能力的基础。早在3 0 年代末和4 0 年代初欧洲就开展了汽车正面和汽车侧面与圆柱碰撞等试验。随着公 路条件的改善，汽车正面碰撞成了交通事故中最常见的碰撞形式。5 0 年代末，德国的梅塞德斯奔驰及大众汽车公司开始迸行汽车正面碰 撞试验研究。6 0 年代中期，美国制订了汽车安全标准。随着生物力 学研究、交通事故统计分析和事故再现技术研究的深入尤其是汽车 用户对安全性的重视，有关汽车碰撞试验方法、标准试验假人、测量 分析装置和评价方法等研究工作迅速发展。 1 3 1 正面碰撞 1 3 1 1 美国正面碰撞试验法规 美国在1 9 8 6 年率先颁布了f m v s s 2 0 8 法规乘员保护法 规，统一规定了碰撞车速4 8 3 k m h ，固定壁障为刚性表面正面碰撞 试验按以下三种方式进行：车辆纵轴线与壁障表面垂直；车辆 武汉理工大学硕士学位论文 横截面与壁障表面成3 0 角，碰撞时车辆左前端先接触：车辆横截 面与壁障表面成3 0 角，碰撞时车辆右前端先接触。规定允许使用 h y b r i di i 和h y b r i di i i 型假人，给出乘员的伤害指标限值。1 9 9 3 年美 国国家公路安全局( n h t s a ) 对f m v s s 2 0 8 法规做了进一步的修改， 规定从1 9 9 7 年开始使用h y b r i di i i 型假人，形成了现有的美国正面碰 撞法规。其伤害评价指标如下： a 头部伤害指数h i c ( h e a di n j u r yi n d e x ) 1 0 0 0 ； 其中h i c = m a r e ( p o + ( 击h 出户5 】 21t l 龟为头部重心合成加速度，其计算式为： 吼= 口：+ a ；+ 口； b 胸部3 毫秒合成加速度 6 0 9 ；胸骨相对于脊柱的变形 5 7 6 ，2 m m ； c 大腿骨轴向力f 1 0 k n 。 1 3 1 2 欧洲正面碰撞试验法规 欧洲汽车工业发达的国家正面碰撞试验研究虽然进行了很长 的时间，但是一直没有形成统一的法规，直到1 9 9 2 年才提出一个e c e 草案。草案中规定碰撞速度5 0 k m h a ，固定壁障为刚性表面，碰撞形 式为车辆横截面与壁障表面成3 0 角，且碰撞时车辆驾驶员侧先接触。 该草案与美国f m v s s 2 0 8 法规不同的是只进行一种方式的试验，壁 障表面带有防滑装置，防止碰撞时车辆沿壁障表面滑脱。欧洲试验车 辆委员会( e e v c ) 建议现有的e c e 法规草案为过渡性规划，到1 9 9 8 年实施新法规，新法规规定碰撞形式为：刚性表面壁障与被试车 辆正面偏重( o f f s e t ) 碰撞，重叠系数分别为4 0 、5 0 、6 0 ，碰 撞速度分别为5 0 k m h 、5 5 k m h 、6 0 k m h 、6 4 k m h 。同时该规定给出 了比e c e 法规草案更为严格的乘员伤害指标限值，其伤害评价指标 武汉理工大学硕士学位论文 如下： a 头部伤害指标h i c 10 0 0 ； b 胸部向前、向后弯曲弯矩及剪切载荷低于规定的极限载荷时 间曲线； c 胸骨相对于脊柱的变形6 5 0 r a m ，粘性指数v 。( v i s c o u s c r i t e r i o n ) 1 0 m s ； v ：螋+ 旦垃 出d 式中d ( t ) - - 胸部变形量，m d 初始躯干厚度，m d 大腿骨轴向力低于规定的极限载荷一时间曲线： e 膝部位移8 1 5 m m ； f 小腿径骨力f 8 k n ，j 、腿指数t i ( t i b i ai n d e x ) l _ 3 ： 丁：红+ l m 。c 一 式中 m r 。= 2 2 5 n m c 。2 3 5 9 k n m 。= 、厨而i m x 一小腿骨x 轴弯矩，n m m v 一小腿骨y 轴弯矩，n m f 。一小腿骨z 轴向压力，k n 1 3 1 3日本正面碰撞试验法规 日本正面碰撞试验标准t r i a su 4 _ - 3 0 采用了车速为5 0k m h 的 正面碰撞方式，使用代表欧美人体的h y b r i di i 假人和三维h 点装置 o s o5 5 4 9 ) ，评价指标也与f m v s s2 0 8 相同，但在日本现行标准中还 允许使用h y b mi i 假人，试验时假人用安全带系紧。由于日本人体型 与欧美差异很大，所以在该标准中，对影响坐姿的三维h 点装置的腿 武汉理工大学硕士学位论文 长进行了修正，在假人安放程序中，为了保证正确的坐姿，规定了座 椅的调节方法。 1 3 2 侧面碰撞 1 3 2 1 美国侧面碰撞法规 f m v s s2 n 规定：质量为1 3 6 5 k g 的可变形移动壁障以 5 3 9 k m h 的速度与汽车驾驶员一侧的侧面成2 7 。斜角发生碰撞。试验 假人使用u s s i d ，评价指标如下： a 胸部伤害指标t t i ( t h o r a c i ct r a u m ai n d e x ) 8 5 9 ，四门轿车； 9 0 9 两门轿车； l ，：墨盟 式中， “ 2 毋第4 和第8 条肋骨侧向加速度最大值 肌第1 2 节椎骨复：的侧向加速度峰值 b 臀部侧向加速度峰值口m “ 1 3 0 9 ； 1 4 2 2 欧洲侧面碰撞法规 质量为( 9 5 0 土2 0 ) k g 的可变形移动壁障以5 0k m h 的速度与汽 车驾驶员一侧的侧面发生碰撞。试验用假人选用e u r o s i d ，乘员伤 害评价指标如下： a 头部伤害指标h i c 1 0 0 0 ： b 胸部肋骨变形6 4 2 m m ，粘性指数v e i 0 m s ； c 腹部最大载荷f 2 5 k n ； d 臀部最大载荷f 3 0最大2 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据采集系统设计 3 1 电测量系统的要求 为使碰撞试验在不同的试验室所获得的结果具有可比性，s a e j 2 1 l 、i s 0 6 4 8 7 中对汽车碰撞试验中使用的测量系统提出了一定的要 求，并推荐了相应的方法。 3 1 1 通道的频率等级 数据通道的频率等级c f c ( c h a n n e lf r e q u e n c y d a s s ) 是用一个特 征频率表示该数据通道的频率响应特性，如图3 1 所示，不同的数 据通道频率等级要求的数据通道动态频率响应范围是不同的，s a e j 2 1 1 标准中规定了四个数据通道频率等级，如表3 1 所示。 表3 - 1四个频率等级的特征频率 c f c f l ( h z )f h 【h z )f n ( h z ) 1 0 0 00 1 l o o o1 6 5 0 6 0 00 16 0 01 0 0 0 1 8 00 11 3 03 0 0 6 00 16 01 0 0 竺蛰盆 墨 ，l i 图3 3 1 2 采样频率 1 电测量系统的频率等级 武汉理工大学硕士学位论文 根据采样定理，要从采样信号中不失真的复现原连续信号，其采 样频率应不小于采样器输入频率的2 倍，这是选择采样频率的指导原 则，一般情况下总是尽量使采样频率大于信号频谱的2 倍，如 c f c l 0 0 0 对应的f n 为1 6 5 0 h z ，它是系统要求最高的频率等级，在实 际碰撞试验中设定采样频率为1 0 k h z 。因此，在进行数据采样时每个 数据通道必须根据具体的试验条件和内容来进行设定。 3 1 3 幅值分辨率 为保证处理过程中合理的精度要求，s a ej 2 1 1 规定数字化长度不 应小于l o 位( 包括符号位) ，i s 0 6 4 8 7 规定数字化长度不应小于8 位 ( 含一个符号位) ，所选用的数模转换器应该满足相应的标准要求。 3 1 4 通道时间差 各数据通道之间的相对时间滞后不超过l 毫秒( 不包括相移引 起的时间滞后) ，即对于各通道采集数据时，各通道之间最大切换时 间不大于l 毫秒；在0 0 3 f h 和f h 之问，数据通道的相位滞后时间的 变动不得大于l ( 1 0 f h ) s 。 3 2 电测量系统的基本构成 电测量系统由传感器、放大器、数据记录及采集系统构成。在 汽车碰撞试验中，传统的测量系统是使用长导线将安装在试件上的传 感器与地面上的测量系统相连接。在实车碰撞试验中，为了评价乘员 的伤害，试验车上所搭载的标准试验用假人有许多的电测量通道。例 如，正面碰撞试验用的标准试验假人h y b r i di i i 最多可达到7 5 个测量 通道；侧面碰撞试验用假人s i d 最多可达3 7 个测量通道； e u r o s i d 1 可达4 9 个测量通道。所以一般实车碰撞试验系统大多配 置6 4 4 2 0 0 个电测量通道。随着测量通道数据的增加，信号传输用的 拖线的重量很大，而且为了保证试验的可靠性，对接头、拖线牵引等 武汉理工大学硕士学位论文 要十分的小心，并应定期检修和更换。 随着微电子技术的发展，计算机固体存储技术的应用日益广泛， 车载数据采集系统的应用也变得越来越广泛车载式电测量系统分车 载部分和地面数据处理部分，车载部分由半导体元件制成一体式信号 适调，放大，滤波数据采集系统，并用r a m 保存试验结果；试验结束后 通过车载数据采集系统的通讯软件和地面p c 机的通讯软件进行联机 通讯，将存储在数据采集系统上的试验数据传输到p c 机的硬盘上， 使用后续处理软件进一步分析。 微型计算机数据采集系统 一般微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程 控放大器、采样保持器、a d 转换器、计算机及外设部分组成，各 部分作用如下： 1 ) 传感器 各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。 首先要把这些非电量转换成电信号，然后才能做进一步的处理。把各 种物理量转换成电信号的器件称为传感器。 2 1 模拟多路开关 数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样 的场合，一般采用公共的a d 转换器，目的是简化电路，降低成本。 可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与a d 转换器间的通道， 使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到a d 转换器， 从而实现分时转换的目的。 3 ) 程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平 信号。程控放大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利 用a d 转换器满量程输入。为了充分利用a d 转换器的分辨率，即 转换器输出的数字位数，就要把模拟输入信号放大到与a d 转换器满 量程电压相应的电平值。 一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道，而各通道的模拟信 武汉理工大学硕士学位论文 号电压可能有较大差异，因此最好是对各通道采用不用的放大倍数进 行放大，即放大器倍数可以实时控制改变。程控放大器能够实现这个 要求，就在于它的放大倍数随时可以由一组数码控制改变放大倍数， 即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。 4 ) 采样保持器 a d 转换器完成一次转换需要一定时间，在这段时间中希望a d 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。 这可以用采样，保持器来实现，采样保持器的加入，大大提高了数据 采集系统的采样频率。 5 ) a d 转换器 因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信 号，实现这一转换功能的器件是a d 转换器。a d 转换器是采样通道 的核心，因此，a d 转换器是影响数据采集系统采样速度和精度的主 要因素之一。 6 ) 接口电路 该电路将输出的数字信号进行整形或电平调整并和计算机的总线 进行通信。 7 ) 微机及外部设备 负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做 必要的处理，然后根据需要来显示和打印。 考虑到车载数据采集系统的工作环境，采集系统控制上不可能 使用微机。为此由单片微机来完成采集系统的所有控制工作。系统的 硬件结构上采用主从机的工作方式，分为系统主模块和数据采集板2 部分。数据采集板的数目可以根据需要的通道数来确定，数据采集板 间彼此独立，这样很容易扩展更多的通道。这样的方式也使采集系统 在应用上和维护上都很方便。 如图3 2 所示，k 0 、k i 、k 2 k n 分别表示n + 1 个数据采集 控制器j o 、儿、j 2 j n 分别表示n + 1 个继电器，每个控制器都带有 武汉理工大学硕士学位论文 串行通信口并且相连在一起, j 0 为主采集板，可以采集开关信号，其 余为模拟量采集板，每个采集板含4 路模拟通道，且都有一个u s b 通 信口经各自的继电器与主计算机相连，继电器的接通与断开由控制器 的一位端1 2 ( 如p x x ) 来控制，玳t x 为各控制器的一位中断输入端口，所 有的 n t x 与碰撞触点信号连在起。一旦碰撞触发，所有的控制器 同时进入数据采集，直到采集结束。 由于数据采集器是整个测试系统的关键，因此既要功能强大， 又要结构紧凑。本系统选定的数据采集器所有信号输入与前端处理部 分采用模块化设计，使系统扩展具有高度灵活性。，圭要技术指标是： 1 2 位a d 分辨率、最大采样频率可达1 0 k ( 可动态调整) 、3 2 路模拟 信号输入、2 4 路数字信号输入、1 m 字节高速数据缓存。由于现场试 验的要求，后期数据处理的任务由笔记本电脑来完成，另外，选用 u s b 接口与数采箱通信是最佳方法。数采箱工作时，数据先存入数采 箱内的高速数据缓存区，再通过u s b 接口把高速数据缓存区中的数 据读回笔电本，进行最后的分析、处理。 触发信号 开关蠡输入4 通道模拟鲞输入4 通道模拟量输入 数据采集主控 制器( k 0 ) r n t xp x x u s b 口 数据采集控制 器( k 1 ) l n t xp x xu s b 口 数据采集控制 器( k n ) t xp x x u s b 口 继电器( j o ) il 继电器( j 1 ) li 继电器( i n ) 图3 - 2 系统硬件结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 在碰撞触发之前，数据采集板已经开始循环采集数据，其提前采 样数据量为8 k ，如果设定采样频率为l o k ，那么就有o 8 秒的预采样时 间，在预采样时间内，采集器不断地把传感器信号转换为数字量，循 环存储在数据采集板的存储器中。同时数据采集板可以选择一路或多 路信号传输到主模块，经过主模块的触发系统判断碰撞后，主模块向 各个数据采集板发送一个低电平信号经延时作为碰撞结束信号，引起 数据采集板的中断，停止数据采集，等待与地面微机的通信，这样的 工作方式保证了系统可以记录下完整的碰撞过程和之前之后相当长 时间的信号。 3 2 1 数据采集板 一拶 l 2 j (上 单片机 2 l 、k l 1 2 t 队d 桎拉器 _ j 事琏教楠强夺器 t：言 曼裂然j 、 四选一模拟开关 li 。 铀1 ：圉 肾 毽斟建- i 魁誊斟 图3 3 数据采集板结构图 武汉理工大学硕士学位论文 图为四路模拟量采集原理示意图，四路信号通过四选一模拟开 关实行循环采样，即先采样传感器l ，再采样传感器2 ，然后采样传 感器2 ，最后到传感器4 。传感器电源，放大器程控增益，低通滤波 器截止频率都可以通过单片机独立选取。 3 2 2 模拟滤波器设计 在进行a d 转换时，输入信号中存在许多的高频成分，如果这些 信号中含有高于一半采样频率的成分，就会出现信号豹混叠现象，如 果对这样的信号再进行处理，是不能将真正的输入信号区分开的，因 此，在信号经电荷放大器放大后，a d 转换之前加入低通滤波器对输 入信号进行预滤波是十分必要的。 3 2 2 1 常用的滤波器 模拟滤波器按它们的幅值平方特性i “u w 丌函数来分 ( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、切比雪夫i 型( c h e b y s h e v - - i ) 滤波器、切比 雪夫i i 型。 巴特沃斯滤波器是一种幅度平坦的滤波器，即幅频特性具有最大 的平坦区，但在截止频率附近有过冲，在截止频率上衰减率为6 n 倍 频，其中n 为滤波器阶数，相频特性较为平坦，有轻微的非线性相位 响应，是一种常用的滤波器。 贝赛儿滤波器的最大特点是在通带范围内各种频率信号的相移 与频率呈线性关系。各种频率的正弦波通过该滤波器后，其延迟时间 和频率成正比，因此不产生相位失真。即意味着群延迟是与频率无关 的常数，当它的阶数增加时表现的更加明显。它的幅频特性衰减过早， 为高斯幅度响应。该滤波器常用于要求波形失真的场合。 切比雪夫在通带内存在等纹波动，衰减率比同阶数的其他二种滤 波器大，而且相位响应畸变较大，适用于需低阶又需快速衰减的场合。 武汉理工大学硕士学位论文 对于信号合成来说，除滤波器的幅频特性要满足s a e j2 1l 要求 外，还要求在带通频率范围内的相位特性也要尽可能线性，因此，巴 特沃斯滤波器比比较适合做采集通道的模拟滤波器。 3 2 2 2 有源低通滤波器设计 图3 4 为有源低通滤波器电原理图。图中，r l 、r 2 、c l 、c 2 为 构成滤波器的容阻元件，运算放大器是为了补偿容阻元件的损耗的有 源器件，由于运算的输出端与它的负反馈输入端直接连接，n c c n 益 为l ，输出运算方程为： 1 圪：k t 丛毕盟t 一 铲柑( 志+ r t c l ) + 面五赢 由上式可得增益的传递函数为： 一v o = 删志r + 1 c 志1 r 2 c ，磊2 磊 令0 4 ：； ! ，a ：! 巽! 兰堡! ! 呈! ，则上式可以表示为： 令2 了霜霖雨a2 了雨茏丽则工氏叫卧衣不川： h ( s ) = 一s - + 旦a s 一+ c o g 根据滤波器理论，当口= 2 时，就被称为巴特沃斯滤波器，由口= 4 5 可推算出巴特沃斯滤波器阻容元件的比例关系：r i = r 2 ：c 2 2 ：2 c i 式中国。为滤波器的截止频率，a 为阻尼系数。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4 二阶有源低通滤波器点原理图 3 2 3 数字化 u o 为了对测量信号进行记录分析必须对其采取数字化处理，这里就 数字化时所要注意得问题做一些介绍。 3 2 3 1 采样过程与采样定理 采样过程就是对连续信 号进行采样得到脉冲序列的过 程，采样开关或采样器可以看 作是脉冲序列的元件，采样过 程可以理解为脉冲调制过程， 图3 5 采样过程表示采样的基 本过程。 卜 仆阿汁 图3 5 采样过程 在实际系统中，采样开关每隔时间t 闭合一次，每次闭合时间 为- ，且t 2 c o 。的情况， 图3 7 ( b ) 对应于q 2 c o , 。 j m j j l w 、歹一 | f j l 一 0t o 图3 7 ( b ) 0 9 s 2 一 武汉理工大学硕士学位论文 在采样信号的频谱中，n = o 对应于频谱分量专le ( j w ) l 称为主频 谱，它与采样前连续信号的频谱e ( j w 、相比，幅值为原来的l t ；为 了从采样信号p ( ，) 中完全准确复现采样前的信号p ( 0 ，必须使采样信 号频谱的个部分不重叠，当将采样信号e + ( f ) 加到3 7 ( a ) 虚线所示 的理想低通滤波器时，虑掉全部的高频频谱分量，就得到与原连续信 号频谱相似的不失真频谱，再放大t 倍，就可以完全准确的复现原来 的连续信号。由图3 7 ( b ) 可见，相邻两部分频语彼此不能重叠的 条件是：采样频率铍必须大于或等于采样开关连续输入信号e q ) 频谱 中最高频谱的2 倍，即得采样定理： q 2 0 9 一 ( 3 9 ) 如果0 9 。 2 0 9 不满足采样定理，发生相邻部分频谱重叠的现象， 即使通过图3 7 ( a ) 虚线所示的理想低通滤波器，也难以准确的恢 复原来的连续信号。 为了准确的反映模拟信号在孵域上的过程，当然是希望采样间隔 越短越好，但是实际对于有限的存储空间来说，是以牺牲记录时间的 长度和增加硬件的成本为代价的：在工程上，一般认为采样频率不应 低于要分析信号截止频率的3 5 倍即可。s a ej 2 1 l 中规定采样频率 不小于特征频率的5 倍。 3 2 3 2 采样保持电路 在对模拟信号进行模数变换时，所有的a d 转换器件都需要转 换时间乙，如果将模拟信号直接加入a o 的输入端，则转换结果的 最大不定值为： a v = ( 形d t i i l 2 a x ) 4 乙 ( 3 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 若输入信号频率为f 的正弦波，则相对误差为： a v v o 。= 2 x 几 fr 一1 1 、 对于一个1 2 位的a d 转换器件，如果它的毛= 1 a s ，要求 a v 1 l s b ，则最高输入频率约为4 0 h z ，这就意味着一个高性能的a d 转换器件只能对2 0 h z 以下的频率信号进行满足精度的转换。其原因 是在乙，时间内具体的变换值的时间点是不确定的，也就是说a d 变 换值是在乞时间间隔内的一个值，但是在那一点的值是不确定的。 这个不确定时间乙称为孔径时间。一种大大减小孔径时间的办法就 是采用采样保持电路，即在a d 输入端串入采样保持电路，在a d 转 换时间内，采样保持电路对输入模拟量冻结保证输入值保持不变，因 此a d 转换器件本身不存在孔径时间问题。而将孔径时间转嫁给采样 保持电路。 3 2 4 接口技术 测量中数据采集的关键环节是准确可靠而且快速的传输数据， 传统的测量仪器是与计算机的通讯接口一般是基于i s a 总线，p c i 总 线或r s 一2 3 2 总线，在最新的p c 标准中，已经不再使用i s a 总线，p c i 总线虽然具有很高的传输速度，但是缺点是p c i 总线规范太复杂，开 发比较困难，r s - 2 3 2 虽然连拦简单，但是其缺点是传输速度太慢， 不能实时有效的进行多通道数据的实时观测。 随着计算机技术的日益发展，u s b 技术逐渐显示其强大的生命 力，它将不同的标准统一起来，使用一个四针插头作为标准插头。u s b 的主要特点有：使用简单，即插即用；应用范围广泛：较强的 纠错能力：总线规范：成本低：使用方式灵活：传输速度快。 图3 一s 展示了u s b 通信模型之间基本的信