解析數(shù)顯千分表測(cè)量系統(tǒng)及在汽車電子機(jī)械復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜闊勝，李 陽，謝有浩，張嚴(yán)芬，李良和

1 引言

電子機(jī)械復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)是現(xiàn)代智能汽車的重要組成單元，制動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性是汽車安全行駛的重要保障，因此，開展以提升EMB系統(tǒng)性能為目的科學(xué)研究，滿足現(xiàn)代智能汽車和新能源汽車自動(dòng)化和智能化的需求，成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)的EMB研究主要集中在機(jī)構(gòu)改造和理論分析：EMB主要采用電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪和二級(jí)減速齒輪傳動(dòng)形式的制動(dòng)系統(tǒng)文獻(xiàn)[1]。圍繞上述傳動(dòng)形式和替換上述傳動(dòng)形式中的某一單元，產(chǎn)生相關(guān)成果，如文獻(xiàn)[2]搭建了EMB試驗(yàn)臺(tái)并完成了測(cè)控系統(tǒng)的研究，博世公司采用電磁離合器加行星輪減速器的方式單間制動(dòng)系統(tǒng)等。在制動(dòng)系統(tǒng)建模和控制算法方面，基于ADAMS的汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)柔性耦合分析[3]，以及制動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性和控制算法研究[4]、基于路面識(shí)別的EMB防抱死系統(tǒng)控制算法[5-6]等技術(shù)為EMB的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

事實(shí)上，EMB系統(tǒng)本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車制動(dòng)盤的制動(dòng)控制，尤其是制動(dòng)盤的圓跳動(dòng)量是EMB系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。然而目前，常見的EMB試驗(yàn)系統(tǒng)依然采用人工讀取記錄數(shù)顯千分表的形式測(cè)量圓跳動(dòng)量，這種形式響應(yīng)速度慢，采樣周期長，測(cè)量誤差大。基于激光位移傳感器或者電渦流位移傳感器的非接觸測(cè)量形式同樣存在著對(duì)制動(dòng)盤材料性能和反光特性要求嚴(yán)格的問題[7-10]。綜上所述，本文提出一種基于解析數(shù)顯千分表通信協(xié)議的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)EMB系統(tǒng)的高頻位移測(cè)量。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)零件的健康狀況直接影響了汽車行駛的安全性。其中，制動(dòng)盤的圓跳動(dòng)量是檢測(cè)制動(dòng)盤質(zhì)量性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，汽車制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量要求在小于0.05mm，而千分表相對(duì)于百分表具有更高的精度。

本文為實(shí)現(xiàn)EMB制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)顯千分表的EMB制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)顯千分表、EMB制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、STM32單片機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、TTL轉(zhuǎn)USB模塊及計(jì)算機(jī)組成。測(cè)量時(shí)，首先將磁力座固定在汽車制動(dòng)盤附近位置，并將測(cè)桿基本垂直于制動(dòng)盤待測(cè)端面，系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

圖1 EMB制動(dòng)盤端面圓跳動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)

3 圓跳動(dòng)量測(cè)量原理

本文采用容柵數(shù)顯千分表作為位移傳感器，該傳感器輸出信號(hào)為高(約1.5v)、低(約0v)電平數(shù)字信號(hào)。受STM32單片機(jī)GPIO口采集電壓的條件限制，需通過信號(hào)調(diào)理電路將容柵數(shù)顯千分表輸出信號(hào)的高電平從1.5v升至3.3v。當(dāng)數(shù)字電平信號(hào)被STM32單片機(jī)采集時(shí)，利用千分表的編碼原理，可將數(shù)值(date)轉(zhuǎn)化為字符串。通過串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信，將下位機(jī)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳至上位機(jī)。

3.1 數(shù)顯千分表及其編碼方式

數(shù)顯千分表的編碼器如圖2所示，圖2a)為時(shí)鐘信號(hào)，圖2b)為數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)脈沖發(fā)生上升沿跳變時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖有效，讀取數(shù)據(jù)信號(hào)的高低電平。一組時(shí)鐘信號(hào)共24個(gè)串行脈沖，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖的24個(gè)點(diǎn)的電平狀態(tài)(0或1)。

圖2 千分表編碼圖

3.2 輸出信號(hào)調(diào)理電路

千分表的時(shí)鐘信號(hào)的脈沖和數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖的高電平都是1.5v，為滿足stm32單片機(jī)讀取電平狀態(tài)的要求，通過升壓電路將容柵數(shù)顯千分表輸出信號(hào)的高電平從1.5v升至3.3v。升壓電路板主要包括LM393雙電壓比較器和分壓電阻，比較器用單電源供電，供電電壓為3.3v。輸出信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

4 圓跳動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和上、下位機(jī)軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)運(yùn)行下位機(jī)程序作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的下位機(jī)，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊用來進(jìn)行上下位機(jī)通信。上位機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的觀測(cè)、記錄和保存。

4.1 硬件系統(tǒng)

在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括數(shù)顯千分表、信號(hào)調(diào)理電路、USB轉(zhuǎn)串口模塊、STM32單片機(jī)、計(jì)算機(jī)。數(shù)顯千分表作為前端傳感器，可接觸輸出四根輸出信號(hào)線，分別為電源線(1.5～1.55v)、地線、時(shí)鐘控制線CLK、數(shù)據(jù)輸出線(DATE)，測(cè)量時(shí)可將各信號(hào)輸出。并且具有設(shè)計(jì)了LM393信號(hào)調(diào)理電路，使輸入信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)放大至3.3v。利用USB轉(zhuǎn)串口模塊將串口通信轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)具有的USB端口通信方式。利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)顯示存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 硬件系統(tǒng)

4.2 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括上位機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)和下位機(jī)的主程序、外部中斷、定時(shí)器中斷、GPI、全局變量、串口通信技術(shù)。單片機(jī)采集到完整的24位數(shù)據(jù)后將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。由于計(jì)算機(jī)上顯示的字符常用格式是ASCII 字符，因此需要將采集到的十進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的4-6 ASCII 字符。圖4為千分表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時(shí)的原理圖采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要靠使用STM32單片機(jī)。在千分表讀數(shù)采集系統(tǒng)中，使用GPIO口捕獲千分表輸出數(shù)據(jù)信號(hào)高低電平功能實(shí)現(xiàn)硬件數(shù)據(jù)采集過程。捕獲輸入功能有三種觸發(fā)模式:上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)和跳變觸發(fā)。由于千分表輸出的串行數(shù)據(jù)在CLK 信號(hào)的上升沿有效，因此試驗(yàn)中使用上升沿觸發(fā)模式。當(dāng)單片機(jī)允許進(jìn)入中斷服務(wù)并開始捕捉跳變信號(hào)，即可開始計(jì)數(shù)，并溢出定時(shí)器中斷，系統(tǒng)開始獲取測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)。

下位機(jī)主程序進(jìn)行初始化及對(duì)單片機(jī)進(jìn)行配置。I/O口初始化，配置AO和A2口，其中時(shí)鐘控制信號(hào)連接在A0口上，下拉輸入[5]；數(shù)據(jù)信號(hào)線連接在A2口上，浮空輸入。串口初始化，配置COM3，波特率為115200。外部中斷初始化，配置外部中斷0，中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)。定時(shí)器初始化，設(shè)置定時(shí)器4溢出中斷，定時(shí)間隔10ms。

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)將采集的信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并可傳送至上位機(jī)顯示。測(cè)量系統(tǒng)啟動(dòng)，主程序開始運(yùn)行至While循環(huán)中，當(dāng)全局變量flag2為真時(shí)，進(jìn)入case真分支，將數(shù)據(jù)date解碼為十進(jìn)制數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為字符串，通過串口3發(fā)送出去?？梢园l(fā)送至上位機(jī)顯示，也可以用于位移數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。當(dāng)全局變量flag2為假時(shí)，空循環(huán)，等待flag2變?yōu)檎?。具體程序如圖5所示：

圖5 下位機(jī)主程序圖

上位機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要通過“VISA函數(shù)”把串口數(shù)據(jù)寫入“寫入電子表格文件VI”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的TXT文件格式保存在計(jì)算機(jī)任意位置，點(diǎn)擊輸入路徑即可。點(diǎn)擊按鈕開始或暫停測(cè)量，同時(shí)數(shù)據(jù)保存，并可通過前面板實(shí)時(shí)觀察測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖6：

圖6 上位機(jī)系統(tǒng)

外部中斷程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘控制信號(hào)的捕捉和對(duì)數(shù)據(jù)輸出信號(hào)的計(jì)數(shù)功能。當(dāng)時(shí)鐘控制信號(hào)發(fā)生上升沿跳變時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。在定時(shí)器中斷中，千分表時(shí)鐘控制信號(hào)的24個(gè)脈沖的時(shí)間寬度是9ms左右，此處定時(shí)器中斷的功能是用來檢測(cè)當(dāng)數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常并及時(shí)處理，使下次外部中斷和定時(shí)器正常運(yùn)行。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

本文基于數(shù)顯千分表的EMB制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)EMB制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量。測(cè)量制動(dòng)盤端面圓跳動(dòng)量與制動(dòng)實(shí)緊力關(guān)系如圖1所示，采用最小二乘擬合方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明了制動(dòng)盤端面圓跳動(dòng)量與制動(dòng)實(shí)緊力具有良好的線性關(guān)系。

圖7 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出一種基于數(shù)顯千分表解析的汽車電子機(jī)械復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，搭建“直流電動(dòng)機(jī)+諧波減速器+電磁制動(dòng)臺(tái)”形式的EMB試驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)測(cè)控系統(tǒng)。靶向制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量測(cè)量核心問題，提出基于解析數(shù)顯千分尺的通信協(xié)議的連續(xù)動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)。通過解析數(shù)顯千分表的時(shí)序，搭建STM32測(cè)量系統(tǒng)，有效解決了人工讀取制動(dòng)盤圓跳動(dòng)量以及傳統(tǒng)非接觸式傳感器受材料和反光特性影響的桎梏。EMB制動(dòng)系統(tǒng)的研究提供了可靠數(shù)據(jù)來源，對(duì)智能汽車和新能源汽車的自動(dòng)化和智能化改造，具有重要的研究意。