基于單片機(jī)技術(shù)的汽車底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉青艷

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系， 煙臺(tái) 265500)

0 引言

作為汽車的核心部分，底盤系統(tǒng)由懸架、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等構(gòu)成，在汽車性能的改善上具有重要作用，可以保證操縱的穩(wěn)定和汽車的安全等，可改善汽車相應(yīng)方面的性能。但各子系統(tǒng)間存在耦合作用，這就為優(yōu)化控制底盤集成系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，對(duì)各子系統(tǒng)間的功能區(qū)別的識(shí)別，完成各自功能的分配，并且保證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)，使底盤全局控制系統(tǒng)性能最優(yōu)，是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)[1]。

1 需求分析及工作原理概述

1.1 需求分析

室內(nèi)臺(tái)架檢測(cè)設(shè)備之一便是汽車底盤測(cè)功機(jī)，底盤測(cè)功機(jī)功能較多，可檢測(cè)汽車的動(dòng)力性，對(duì)多工況排放指標(biāo)及油耗進(jìn)行測(cè)量，易于完成汽車加載調(diào)試過(guò)程，對(duì)汽車在負(fù)載條件下發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)等，只有當(dāng)?shù)妆P測(cè)功機(jī)能真實(shí)的模擬出汽車的道路行駛阻力，才能保證各測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠，目前國(guó)產(chǎn)汽車底盤測(cè)功機(jī)模擬汽車的加速阻力的方法通常使用慣性飛輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)，汽車加速阻力的模擬，以不同的車型為依據(jù)，通過(guò)電磁離合器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同飛輪的組合的控制，汽車其它行駛阻力的模擬過(guò)程則通過(guò)采用水力測(cè)功器或電渦流測(cè)功器來(lái)完成。

1.2 工作原理

汽車底盤測(cè)功機(jī)以具備高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為技術(shù)支撐，由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)，輸入/輸出端子板、可控硅及其控制電路、總線接口卡組成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)功機(jī)的構(gòu)成則是在測(cè)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上組合測(cè)功機(jī)的機(jī)械部分，通過(guò)臺(tái)架上的氣動(dòng)舉升機(jī)、壓力與速度傳感器和電渦流機(jī)等裝置，測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤測(cè)功機(jī)的控制過(guò)程。本文汽車底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象為BY-CG-300型汽車。

計(jì)算機(jī)和測(cè)量控制通道的連接通過(guò)使用總線接口卡實(shí)現(xiàn)，此外總線接口卡還能對(duì)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行控制，可以測(cè)量開關(guān)量信號(hào)，放大現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)以及轉(zhuǎn)換模數(shù)也由其完成，用于測(cè)量頻率的計(jì)數(shù)器接口也由其實(shí)現(xiàn)。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)在臺(tái)架上由汽車驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)完成，然后經(jīng)光電解碼器產(chǎn)生脈沖輸出，計(jì)數(shù)器(接入多功能卡)完成對(duì)速度和行駛距離的測(cè)量，行駛在臺(tái)架上的汽車在電渦流機(jī)的作用下，對(duì)滾筒的作用力，汽車驅(qū)動(dòng)能將其耦合在壓力傳感器上， 信號(hào)通過(guò)輸入通道被傳送給計(jì)算機(jī)，結(jié)合速度信號(hào)完成對(duì)汽車動(dòng)力性能的測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，需提前對(duì)速度進(jìn)行設(shè)定，然后將實(shí)際測(cè)量的速度信號(hào)與其比較，根據(jù)偏差，阻力(電渦流機(jī)勵(lì)磁電流)需按一定的算法進(jìn)行調(diào)整，從而穩(wěn)定車速在給定值，保證在恒速條件下完成各數(shù)據(jù)的測(cè)量工作[2]。

根據(jù)具體試驗(yàn)車的車速以及實(shí)際測(cè)量得到的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輪的輸出功率的具體計(jì)算公式：

其中驅(qū)動(dòng)車輪的驅(qū)動(dòng)力用Ft表示，驅(qū)動(dòng)車輪的輸出功率用Pk表示，試驗(yàn)車速(km/h)用Ua表示。

2 數(shù)據(jù)采集

底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象是驅(qū)動(dòng)力和車速，本文對(duì)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)據(jù)采集和車速的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 測(cè)量驅(qū)動(dòng)力

在底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，將電阻(康銅箔式)應(yīng)變片貼在測(cè)力杠桿上，應(yīng)變片在檢測(cè)制動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生變形使電阻絲伸長(zhǎng)，進(jìn)而增大電阻，電阻變化量ΔR=Kε，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)用K表示，受到作用力后的應(yīng)變片發(fā)生的應(yīng)變用ε表示，本文將應(yīng)變片接成電橋具體如圖1所示[3]。

圖1 檢測(cè)電橋

檢測(cè)電橋中，Rw代表調(diào)零電位計(jì)，Ra和Rc、Rb和Rd分別表示工作臂、補(bǔ)償臂，補(bǔ)償臂的電阻不變化不對(duì)應(yīng)變做出具體感知；由接在應(yīng)變片上的工作臂實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變及其電阻變化情況的感知過(guò)程。穩(wěn)壓電源Us連接電橋a、c端，則b、d端的輸出電壓用U0表示，U0具體計(jì)算公式如下：

其中檢測(cè)時(shí)的作用力(即車輪軸荷或車輪驅(qū)動(dòng)力)由T表示，檢測(cè)電橋輸出電壓U0隨著作用力的增加而增大(即成正比)，C表示應(yīng)變量。在工控機(jī)上加裝一塊DAS卡(PLC-818)，該卡具備多功能，具體組成如圖2所示。

DAS卡在模擬量輸入的設(shè)計(jì)上包括十六路單端或八路差分，輸入通道增益可編程，A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間為25微秒，具備12 bit的分辨率，0.01%的精度，為了能在軟件控制期間代替多路開關(guān)的切換，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)通道/增益掃描電路。 各通道不同的增益的存儲(chǔ)由卡上的SRAM完成，這種組合方式能實(shí)現(xiàn)多種功能，可對(duì)各通道使用不同的增益，多通道高速采樣通過(guò)DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖褂脕?lái)完成(速度可達(dá)到100 ks/s)。 與此同時(shí)該卡還完成了十六個(gè)數(shù)字量輸入/輸出端口的設(shè)計(jì)。測(cè)量電橋的檢測(cè)電壓(U0)通過(guò)接口(MUX十六路單端或八路差分)輸入多功能 DAS 卡后，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模擬檢測(cè)電壓為數(shù)字信號(hào)[4]。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 測(cè)量車速

試驗(yàn)車速通過(guò)光電編碼器(由光源、光柵盤和光敏管組成)測(cè)量，在滾筒軸上安裝光柵盤，在滾筒上滾動(dòng)的汽車車輪會(huì)帶動(dòng)滾筒與光柵盤同步旋轉(zhuǎn)，使光源處于連續(xù)發(fā)光狀態(tài)，光束通過(guò)光柵上的小孔照到光敏管上，激發(fā)相應(yīng)電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，電脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形處理后成矩形波，計(jì)算機(jī)接收到此信號(hào)后，就可以完成車速Ua的計(jì)算，具體計(jì)算公式如下。

Ua=0.377nr，其中車速(單位km/h)由Ua表示，滾筒轉(zhuǎn)速(單位r/min)由n表示，滾筒半徑由r(單位m)表示[5]。

3 試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 單片機(jī)與上位機(jī)間通信的實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)臺(tái)中的微處理控制器選用89C52單片機(jī)，該單片機(jī)的指令與引導(dǎo)易于同其他系列產(chǎn)品(如MCS-51)相兼容，在A/D轉(zhuǎn)換電路的作用下，結(jié)合信號(hào)處理電路，可完成采樣傳感器信號(hào)并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，單片機(jī)與上位機(jī)間的通信原理，上位機(jī)與單片機(jī)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送功能需通過(guò)RS232串口完成，根據(jù)IEEE RS232的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，采用+12伏的電平，和單片機(jī)串行口的電平(TTL)不相符，為解決此問(wèn)題，本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換的過(guò)程由MAX232(集成電路轉(zhuǎn)換芯片)完成，通過(guò)程序?qū)Φ妆P測(cè)功機(jī)傳感器的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣開始時(shí)間的控制，采樣過(guò)程的頻率為50赫茲，當(dāng)待測(cè)汽車的速度穩(wěn)定在檢測(cè)速度(已設(shè)定)下時(shí)間持續(xù)15秒后，底盤測(cè)功機(jī)輸出功率應(yīng)在全部采樣點(diǎn)中甄別并顯示。上位機(jī)與單片機(jī)間的主程序具體流程如圖3所示。

通過(guò)收發(fā)數(shù)據(jù)顯示緩存區(qū)，單片機(jī)完成初始化，分別對(duì)串行口控制寄存器和電源控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，定時(shí)器初始化后上位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收及顯示；根據(jù)按鍵的存在與否，選擇將數(shù)據(jù)按鍵碼發(fā)送或按數(shù)據(jù)隊(duì)列發(fā)送，循環(huán)進(jìn)行完成數(shù)據(jù)通信的采集[6]。

圖3 通信主程序流程圖

3.2 底盤檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)

上傳采樣數(shù)據(jù)至上位機(jī)后，首先對(duì)串行通信的控件屬性進(jìn)行設(shè)置(在Visual Basic環(huán)境下)，具體步驟為：串行通信的通道需通過(guò)定位布置于窗體上的MSComm 控件實(shí)現(xiàn)，在屬 性窗口中，設(shè)置RTHreshold屬性為 1 ，修改CommPort屬性值為2，外界任何字符串的傳送都會(huì)引發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)(AT89C52)間的數(shù)據(jù)傳輸。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性能，根據(jù)底盤測(cè)功檢測(cè)過(guò)程(自檢、調(diào)零、校正、測(cè)量)的特點(diǎn)，需要測(cè)量軟件的自容錯(cuò)功能，包括設(shè)備出現(xiàn)硬件故障或人為干擾時(shí)的測(cè)量。上位機(jī)檢測(cè)程序的具體流程如圖4所示[7]。

圖4 底盤測(cè)功檢測(cè)程序流程圖

在Visual Basic環(huán)境下，通過(guò)WinSock 控件的調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與其它系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)。WinSock控件可通過(guò)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議或數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，完成與遠(yuǎn)程上位機(jī)的連接及數(shù)據(jù)的交換，使用該控件時(shí)需確定具體使用協(xié)議，在源程序中設(shè)置如下代碼，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的控制面板完成所需設(shè)置。

Winsock1．Protocol=sckUDPProtocol or Winsock1．Protocol=sckTCPProtocol

4 試驗(yàn)與誤差分析

通過(guò)檢測(cè)底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)(BY-CG-300)，底盤測(cè)功機(jī)的參數(shù)為：217毫米的滾筒直徑，前后滾筒中心距為436毫米 ，輸出功率最大為160千瓦。一共完成了五次底盤輸出功率測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為27.4 kW、27.3 kW、27.1 kW、26.9 kW、26.8 kW，計(jì)算可知五次測(cè)試結(jié)果的偏差為1.1%，能夠滿足底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表明本文基于單片機(jī)技術(shù)的汽車底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)用性較高，在實(shí)際使用中，該系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確的完成對(duì)汽車底盤輸出功率的檢測(cè)，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。

5 總結(jié)

本文完成了基于單片機(jī)技術(shù)的汽車(BY-CG-300 型)底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要介紹了底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的具體工作原理，并系統(tǒng)論述上位機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)間的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信過(guò)程等方面，在Visual Basic環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，完成了對(duì)底盤輸出功率的檢測(cè)，升級(jí)改造了檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方案實(shí)用性較高，可滿足汽車檢測(cè)任務(wù)的要求。