基于雙單片機(jī)的摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊　雷　李益敏　馬曉明　王　莉（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)天津300350）

基于雙單片機(jī)的摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊雷李益敏馬曉明王莉
（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)天津300350）

我國(guó)汽車摩托車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)摩托車制動(dòng)性能有著嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求，針對(duì)摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)狀，介紹了一種基于嵌入式平臺(tái)的便攜摩托車隨車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)包括了雙單片機(jī)處理，信號(hào)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，液晶顯示，數(shù)據(jù)通訊及數(shù)據(jù)打印模塊，完成了對(duì)摩托車制動(dòng)性能指標(biāo)，即制動(dòng)距離的計(jì)算。該設(shè)計(jì)方案對(duì)提高摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的便攜性，降低成本和能耗有一定的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

制動(dòng)性能檢測(cè)單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣

引言

摩托車制動(dòng)性能是指摩托車在行駛過程中制動(dòng)時(shí)具有的強(qiáng)制減速乃至停車的能力。制動(dòng)系統(tǒng)是摩托車總體系統(tǒng)的重要組成之一，其技術(shù)狀況的好壞直接影響摩托車行駛及停車的安全性，一些重大的交通事故也往往與制動(dòng)性能的問題有關(guān)。因此，國(guó)家摩托車質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督機(jī)構(gòu)也將其列入重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目之一，同時(shí)制定出相應(yīng)的法規(guī)條款強(qiáng)制要求對(duì)摩托車制動(dòng)性能進(jìn)行檢測(cè)，必須符合相應(yīng)的技術(shù)條件。對(duì)摩托車制動(dòng)性能的檢測(cè)方法主要有道路試驗(yàn)法和臺(tái)架試驗(yàn)法兩種。臺(tái)架試驗(yàn)法是指在試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)摩托車制動(dòng)性能，這種方法雖迅速，安全，重復(fù)性好，不受外界條件限制，但車輛前后軸載荷為不變靜載荷，這與在實(shí)際道路進(jìn)行摩托車制動(dòng)時(shí)，由于慣性作用，車輛前后軸載荷會(huì)發(fā)生變化而直接影響制動(dòng)效果不太相符，因此，臺(tái)架試驗(yàn)法存在明顯的缺陷［1］。車載式/便攜式試驗(yàn)裝置是針對(duì)室內(nèi)模擬試驗(yàn)臺(tái)而言的，也就是在道路或試車場(chǎng)對(duì)摩托車制動(dòng)系性能進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)的設(shè)備。這種試驗(yàn)檢測(cè)裝置對(duì)摩托車進(jìn)行不解體檢測(cè)，能夠真實(shí)反映摩托車在實(shí)際制動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)性能，是評(píng)價(jià)摩托車制動(dòng)性能最直接的手段，因此在現(xiàn)代摩托車制動(dòng)性能測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。國(guó)外早在20世紀(jì)80年代末90年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起和制造業(yè)水平的提高開始起步，已經(jīng)推出很多技術(shù)非常成熟的產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴。我國(guó)在車載測(cè)試道路試驗(yàn)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國(guó)家，為此，開發(fā)和研制性能更加優(yōu)越，操作更為方便簡(jiǎn)單，測(cè)試效率更高的制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)整個(gè)摩托車乃至汽車制動(dòng)性能領(lǐng)域都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

1.1總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是基于摩托車測(cè)試技術(shù)和現(xiàn)在比較流行的單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)研制而成，在可以完成制動(dòng)測(cè)試要求的同時(shí)，還使得整個(gè)系統(tǒng)更具有小型化，智能化，低成本化等優(yōu)點(diǎn)。摩托車制動(dòng)器制動(dòng)原理為：摩托車制動(dòng)時(shí)，由人工施加在手操縱桿上一個(gè)控制力，此力通過拉索傳到制動(dòng)臂上，制動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪，使得制動(dòng)蹄張開，制動(dòng)蹄上的制動(dòng)襯片和制動(dòng)鼓的內(nèi)表面被壓緊產(chǎn)生摩擦力，阻止車輪運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，地面與輪胎之間產(chǎn)生摩擦力，阻止摩托車運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)主要檢測(cè)車輛制動(dòng)距離以及平均減速度，車體速度作為輔助檢測(cè)參數(shù)。摩托車制動(dòng)全過程一般包括4個(gè)階段：駕駛員收到信號(hào)后作出反應(yīng)，制動(dòng)器開始起作用，持續(xù)制動(dòng)和制動(dòng)完全釋放。摩托車制動(dòng)性能道路試驗(yàn)規(guī)范中所指的制動(dòng)距離通常指駕駛員開始操作制動(dòng)器到制動(dòng)完全釋放這段時(shí)間車輛所經(jīng)過的距離。因此制動(dòng)距離估算包括3個(gè)過程［2］：

1）駕駛員開始操作制動(dòng)器，此時(shí)車輛按制動(dòng)初速度V0做勻速運(yùn)動(dòng)。

2）制動(dòng)器開始作用階段，車輛做變減速運(yùn)動(dòng)，設(shè)其減速度做線性增長(zhǎng)。

解微分方程得：

積分得：

3）在持續(xù)制動(dòng)階段，車輛做勻減速運(yùn)動(dòng)，初速度為v2，末速度為0

代入v2及k得：

車輛制動(dòng)時(shí)充分發(fā)出的平均減速度（dm）通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

dm—充分發(fā)出的平均減速度，單位為m/s2；

v2—初速度，單位為km/h；

vb—0.8 v2，單位為km/h；

ve—0.1 v2，單位為km/h；

Sb—從v2到vb的距離，單位為m；

Se—從v2到ve的距離，單位為m。

針對(duì)摩托車制動(dòng)裝置的性能要求和測(cè)試要求，制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要采集檢測(cè)的信號(hào)包括手制動(dòng)力、腳制動(dòng)力、車輛速度、制動(dòng)蹄片溫度等。同時(shí)整套測(cè)試系統(tǒng)可以提供隨車試驗(yàn)人員方便、快捷地按鍵操作面板和液晶顯示屏，完成啟停試驗(yàn)和有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，最后還可以在道路試驗(yàn)完成后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)打印，并且可以將隨車存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到筆記本電腦中，以供上位機(jī)電腦對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

車速測(cè)量采用非接觸車速傳感器，安裝于受試摩托車的后部，通過傳感器感應(yīng)出距離信號(hào)，通過隨車儀器，得到車速、加速度和距離等參數(shù)；在制動(dòng)手柄上或腳制動(dòng)踏板上安裝力傳感器，在試驗(yàn)員對(duì)摩托車進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，能夠感應(yīng)出手握力或踏板力信號(hào)，通過儀器計(jì)算，得到力值；在制動(dòng)盤外部安裝非接觸式紅外溫度傳感器，能夠獲得制動(dòng)盤溫度。對(duì)于鼓式制動(dòng)器，如需測(cè)試制動(dòng)器溫度，則需要在制動(dòng)器上埋設(shè)溫度傳感器；隨車裝置包括：信號(hào)采集、處理及記錄裝置，一般置于后乘員座上，全部采集信號(hào)由該裝置處理；操作和指示裝置，一般置于摩托車車把上，用于進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，試車員進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目選擇，并便于試車員在試驗(yàn)過程中觀察各種試驗(yàn)參數(shù)以及試驗(yàn)結(jié)果；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其打印機(jī)不隨車使用。試驗(yàn)完成后，通過隨車儀器的數(shù)據(jù)通訊接口將全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過打印機(jī)打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)和繪制曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可隨時(shí)調(diào)用。

綜合上述，制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要有傳感器（信號(hào)拾取）、信號(hào)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、單片機(jī)核心處理單元、人機(jī)信息交互單元和PC機(jī)等幾大部分組成［3］。主要指標(biāo)：

1）減速度測(cè)試范圍和精度：0～10 m/s，±3% 2）控制力測(cè)試范圍和精度：0～500 N，±1%

3）制動(dòng)盤溫度測(cè)試范圍和精度：0～350℃，±5℃4）車速測(cè)試范圍和精度：1～180 km/h，±2%

1.2采樣單片機(jī)

采樣單片機(jī)是整個(gè)裝置系統(tǒng)的核心部分。選用了AT89C55 WD。AT89C55 WD是一種低功耗、高品質(zhì)的CMOS工藝的8位微控制器，有20 kB Flash程序存儲(chǔ)器。首先，它負(fù)責(zé)將試驗(yàn)裝置所需要的外界信號(hào)（如：手制動(dòng)力、腳制動(dòng)力、墊片溫度、轉(zhuǎn)速信號(hào)等），采集到主控單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。第二，主控單片機(jī)負(fù)責(zé)與人機(jī)界面接口單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，彼此交換信息。第三，主控單片機(jī)還要負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊。第四，主控單片機(jī)還需要控制微型打印機(jī)將有關(guān)數(shù)據(jù)打印出來。最后主控單片機(jī)還控制著系統(tǒng)的時(shí)間和大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示［4］。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3HMI控制單元模塊

HMI控制模塊是駕駛員與系統(tǒng)信息交換的“橋梁”。在道路車輛檢測(cè)中，駕駛?cè)藛T通過HMI控制單元模塊中的按鍵面板來對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)起停，系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置，存儲(chǔ)區(qū)信息查詢，數(shù)據(jù)打印等一系列的操作。鍵盤采用標(biāo)準(zhǔn)的4×4鍵盤，利用專用的低功耗按鍵譯碼芯片MM74HC922很方便快捷地將按鍵信息譯碼并傳遞給HMI單片機(jī)處理，譯碼電路如圖2所示。而測(cè)試系統(tǒng)中的信息則是系統(tǒng)通過液晶顯示屏將所需信息顯示給駕駛員。在液晶顯示上采用了OCMJ8×10 D（160×128點(diǎn)陣）液晶模塊，該模塊內(nèi)建512字節(jié)的ROM，控制芯片分帶繁體字庫(kù)和簡(jiǎn)體字庫(kù)，并具有反白，閃爍，字型放大，自行造字等功能，可以很容易地將系統(tǒng)所需要顯示的信息以很好的效果顯示給試驗(yàn)駕車人員。

圖2　鍵盤譯碼電路

1.4車速數(shù)據(jù)采集模塊

車速的測(cè)量采用GPS速度測(cè)量裝置。GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，利用GPS可以獲取任意位置的三維坐標(biāo)功能，發(fā)揮其全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、精確定位的優(yōu)勢(shì)，采用GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)測(cè)定車速。

GPS定位是利用位置已知的衛(wèi)星（≥4個(gè)）的坐標(biāo)來確定一個(gè)被測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)（x，y，z），根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)射的無線電波信號(hào)的傳播延時(shí)，利用高等解析幾何來構(gòu)造模型，建立三維位置量和一個(gè)時(shí)間量的方程，測(cè)量出各衛(wèi)星與目標(biāo)位置的距離便可實(shí)現(xiàn)三維定位。動(dòng)態(tài)相對(duì)定位是將一臺(tái)GPS接收機(jī)架設(shè)在固定的參考點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，另一臺(tái)GPS接收機(jī)（移動(dòng)站）架設(shè)在被測(cè)目標(biāo)上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，以確定被測(cè)目標(biāo)相對(duì)參考點(diǎn)的位置。根據(jù)GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位原理，實(shí)地測(cè)定車速時(shí)，將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在無遮蔽的高地上，把移動(dòng)站架設(shè)在實(shí)驗(yàn)車上，就可以測(cè)得目標(biāo)車輛的運(yùn)動(dòng)速度。GPS采集車速利用跟車法。這種測(cè)量方法利用安裝在實(shí)驗(yàn)車輛上的GPS移動(dòng)站，記錄車輛行駛過程中衛(wèi)星的原始星歷文件，與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)相參照解算出實(shí)驗(yàn)車輛的行駛軌跡，從而求解出實(shí)驗(yàn)車輛的車速數(shù)據(jù)［5］。

1.5AD數(shù)據(jù)采集模塊

在摩托車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)中，制動(dòng)力分為手制動(dòng)力和腳制動(dòng)力，其壓力傳感器信號(hào)輸出范圍為0～5 V，對(duì)應(yīng)制動(dòng)力0～500 N；在對(duì)制動(dòng)蹄片溫度的測(cè)量上采用了Raytek公司制造的非接觸式紅外傳感器，該傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量制動(dòng)蹄片發(fā)射出的能量，并將其能量轉(zhuǎn)換為每10℃對(duì)應(yīng)1 mV的小電壓信號(hào)。但是由于紅外傳感器輸出溫度的電信號(hào)過于微弱，如果不對(duì)信號(hào)加以處理將會(huì)使得溫度在12位AD采集數(shù)據(jù)上會(huì)造成較大的誤差，所以需要應(yīng)用放大電路，來對(duì)此小信號(hào)進(jìn)行精密放大處理，以供AD處理電路精確對(duì)制動(dòng)蹄片的溫度精確采樣。對(duì)于AD數(shù)據(jù)采樣選擇了MAXIM公司的8通道、12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。它采用標(biāo)準(zhǔn)微處理器并行接口，通過讀/寫三態(tài)數(shù)據(jù)I/O端口就可實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇，A/D啟動(dòng)及讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。其A/D數(shù)據(jù)采樣電路如圖3所示［6］。

圖3　MAX197與AT89C55WD的接線圖

AT89C55WD的P1.0連接/SHDN端，作為硬件控制節(jié)電工作方式的控制端。P1.2腳接MAX197的/ INT腳，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可以采用查詢方式判斷/ INT腳是否為低電平來判斷一次轉(zhuǎn)換的結(jié)束。利用地址Q0端用于控制是讀取低8位或是高4位。

2　制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件構(gòu)成

制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)總體上可分為采樣單片機(jī)軟件和HMI單片機(jī)軟件兩大部分。采樣單片機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)地與HMI單片機(jī)負(fù)責(zé)通訊，解析試驗(yàn)人員的指令，并根據(jù)相應(yīng)的指令，完成系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置，系統(tǒng)時(shí)間查詢，存儲(chǔ)區(qū)信息查詢，存儲(chǔ)區(qū)信息格式化，試驗(yàn)類型和參數(shù)確認(rèn)，試驗(yàn)過程中的起停，信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的打?。?］。軟件流程框圖如圖4所示。

HMI單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接收按鍵操作平臺(tái)信息和主控單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)信息，并將其獲取的信息顯示在液晶顯示屏上，以供試驗(yàn)人員參考并做出相應(yīng)的試驗(yàn)操作。試驗(yàn)人員需要通過按鍵操作平臺(tái)選擇自己需要菜單，并可以在相應(yīng)的菜單中選擇需要的試驗(yàn)類型和試驗(yàn)的起停，編輯系統(tǒng)時(shí)間和試驗(yàn)參數(shù)等一系列的操作，設(shè)置完成后通過串口方式發(fā)送到主控單片機(jī)中，讓主控單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。兩片單片機(jī)協(xié)同工作的設(shè)計(jì)不僅可以分擔(dān)系統(tǒng)工作壓力，提高系統(tǒng)工作的效率，同時(shí)還可以提高系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，為短暫性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性提供了保證［8-10］。軟件流程框圖如圖5所示。

圖4　采樣單片機(jī)軟件流程框圖

圖5　HMI單片機(jī)軟件流程框圖

3　制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)一次測(cè)試實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果如圖6所示。

圖6　打印結(jié)果數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文介紹的車載式制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)適用于摩托車，主要測(cè)量參數(shù)包括車速、手握力、踏板力及制動(dòng)蹄片溫度等。該系統(tǒng)具有良好的可靠性，體積小、集成化高，便于組裝拆卸隨車試驗(yàn)，并能滿足ECE和DOT制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1王辛之，鐘愛琴，王雷，等.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004

2張守信.GPS衛(wèi)星測(cè)量定位理論及應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1996

3全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 20073-2006摩托車和輕便摩托車制動(dòng)性能試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006

4王興東，胡于進(jìn)，李成則，等.制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究及仿真計(jì)算模型的辨識(shí)［J］.汽車工程，2005，27（1）：86-88

5何大軍，龔國(guó)彬.兩輪摩托車制動(dòng)性能問題分析［J］.摩托車技術(shù)，2011（07）：39-42

6劉忠林，張立鵬.基于FLEX3530嵌入式控制器的摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)［J］.摩托車技術(shù)，2011（11）：42-45

7楊春蒲，楊勝奎.摩托車制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008（04）：59-61

8丁昆，楊志清.摩托車制動(dòng)系統(tǒng)全球技術(shù)法規(guī)研究［J］.國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2010（09）：3-4

9邱杰.摩托車制動(dòng)性能試驗(yàn)過程分析及方法探究［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013（16）：155-156

10 Fisher D K.Brake system component dynamic performance measurement and analysis［C］.SAE Paper 700373

Design of Motorcycle Braking Performance Test System Based on Two Single Chip Microcomputers

Yang Lei，Li Yimin，Ma Xiaoming，Wang Li
Tianjin Sino-German Vocational Technical College（Tianjin，300350，China）

Our country quality inspection and testing institute of car and motorcycle has strict performance requirements for motorcycle braking performance.According to the real situation of our country motorcycle braking performance，this article introduces a design of portable motorcycle follower braking performance testing system which is based on embedded platform.This system includes dual Single Chip processing，signal collecting，data storage，LCD displaying，data communication，and data printing，in order to carry out motorcycle braking performance testing or calculate braking distance.This design has a certain extent theoretical and practical value for motorcycle braking performance test system.

Braking performance testing，Single chip microcomputer，Testing system，Data sampling

U483

A

2095-8234（2016）04-0050-05

2016-05-12）

楊雷（1980-），男，工學(xué)碩士和管理碩士，主要從事計(jì)算機(jī)控制工程與應(yīng)用以及電氣控制的研究。