車輛被動安全測試數(shù)據(jù)格式的研究

郝賡，段成剛，馬汶鍇，劉俊杉，于萍

中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，車輛安全始終是汽車行業(yè)從業(yè)者和汽車消費者關注的因素，即使在智能駕駛、駕駛輔助裝置等技術日漸成熟的時代背景下，車輛安全的可靠性與穩(wěn)定性仍然是立足之本。而車輛安全離不開大量的開發(fā)與試驗驗證，這些試驗中不僅需要測量、采集的數(shù)據(jù)量龐大，還通常需要測試多種類型的物理量，如車輛安全測試中使用的假人通常包含幾十上百通道的加速度、位移、力、力矩等傳感器。試驗中需要測量、采集的常見基礎物理量有：長度、時間、速度、角速度、壓強、加速度、力矩、壓力等[1-3]，這些基礎測量數(shù)據(jù)通過一系列或簡單或復雜的運算，便可得到進一步的數(shù)據(jù)，進而反映車輛的相關性能。在試驗過程中，這些大量且種類繁多的數(shù)據(jù)從現(xiàn)實中的物理量經(jīng)過多個測試儀器設備最終轉(zhuǎn)化為儲存在計算機或設備中的數(shù)據(jù)，這個過程中數(shù)據(jù)將有多種不同的類型、格式，本文以車輛被動安全測試為例，簡要解釋數(shù)據(jù)從采集到最終儲存的過程。

1 測試系統(tǒng)搭建

搭建車輛安全類測試項目的測試系統(tǒng)，無外乎將現(xiàn)實中要測量的物理量轉(zhuǎn)化為測量到的物理信號并加以儲存[4-6]，通常包含3個步驟：

(1)各類型傳感器將實際物理量轉(zhuǎn)化為不同類型的電信號，通常包含位移、侵入量、距離等長度量,反映加速減速、振動、沖擊等運動過程的加速度，反映變形情況的力矩，反映運動狀態(tài)、變形狀態(tài)的角速度，監(jiān)測流體狀態(tài)的壓強，以及反映這些物理量在時間維度上的刻度——時間，這些物理量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化為不同類型的電信號，如電壓、電流、電橋、通信信號等。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)測試的配置文件將傳感器轉(zhuǎn)化后的電信號再轉(zhuǎn)譯成物理量的采樣信號，其中模擬量信號如電壓、電流、電橋等，可以通過簡單的配置傳感器相關參數(shù)即可完成設置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便可根據(jù)設定參數(shù)將傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)化為被測物理量的采樣信號；數(shù)字量信號如各種車輛通信信號則相對復雜，需要按照規(guī)定的協(xié)議進行通信才能解讀出被測物理量信號。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關聯(lián)的軟件將采樣信號儲存為原始數(shù)據(jù)文件，因為各個數(shù)據(jù)采集設備制造商的適配軟件往往只能保存和使用自家特定格式的原始數(shù)據(jù)，所以在實際使用中常常需要根據(jù)使用需求轉(zhuǎn)換為其他格式的數(shù)據(jù)格式，如碰撞假人等通用的ISO mme格式、適用于MATLAB的.mat文件、適用于DIAdem的.dat文件、Excel、txt等。

測試系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)示意

2 物理量在傳感器上的應用

被動安全領域測試物理量大多數(shù)為基本的力學物理量，如加速度、由加速度和時間積分得到的速度、進一步積分得到的位移、加速度與質(zhì)量組合成的力值、力值與位移組合成的彎矩、壓強、(氣體/液體)壓力、角速度，此外還可能涉及溫度、電流、電壓、電阻等物理量[7]。

這些物理量均需由傳感器轉(zhuǎn)化為相應電信號才能進行采集，本文主要介紹物理量在這些傳感器的工程應用。根據(jù)傳感器類型不同，這些物理量有些被轉(zhuǎn)換為其他模擬量信號，如電壓、電橋、電流等電信號；有些則被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，如車載通信系統(tǒng)中使用的CAN總線信號、LIN總線信號、FlexRay總線信號等，這些通信信號在傳遞中還需遵照相應協(xié)議，才可正常傳輸和接收[8]。

將物理量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號的傳感器，通常包含一定的使用條件，如適用環(huán)境條件、測量范圍、測量單位、激勵電壓等信息。在使用這些傳感器時需要根據(jù)使用場景妥善選擇合理的傳感器，并在使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中正確地配置，才能準確獲取想要采集的物理量信號。

傳感器參數(shù)設置界面如圖2所示，此界面為傳感器庫(sensor database)，可以將試驗用到的所有傳感器信息錄入此處，在試驗中選擇對應的傳感器進行使用時，避免試驗中反復輸入傳感器信息。如圖2所示的右側(cè)傳感器信息中，首先選擇傳感器的數(shù)據(jù)類型以及模擬量信號(Analog)，此外還可設置數(shù)字輸入信號、數(shù)字輸出信號、點爆觸發(fā)信號等傳感器信號類型。

圖2 傳感器參數(shù)設置界面

在車輛被動安全測試中，傳感器通常需要設置對應的ISO Code來表示測試物理量信息，ISO Code包含了被測物、測試位置、傳感器細分位置、物理量、方向、濾波等級等信息，詳情可以參考相關標準[9]的相關定義。此處可設置傳感器的ISO Code、量程、單位、濾波等級等與測試相關的信息，還可設置更細分的傳感器信號類型(如全橋、半橋、IEPE等)、激勵電壓、靈敏度系數(shù)等傳感器自身的信息。這些參數(shù)中，靈敏度系數(shù)直接影響采集到的數(shù)據(jù)，靈敏度系數(shù)是傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為模擬量信號的一個比例系數(shù)?，F(xiàn)實的物理量通過傳感器采集成為模擬量信號，物理量與模擬量之前的線性關系系數(shù)即為靈敏度系數(shù)。

傳感器類型需要根據(jù)傳感器本身進行設定，如常用的電橋、IEPE、電壓等類型，該類型即指傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)化為何種電信號。例如車輛被動安全常使用全橋加速度傳感器，這類傳感器將采樣的物理信號轉(zhuǎn)化為電橋信號，并將電橋信號傳遞給后續(xù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設備。

若傳感器將現(xiàn)實的物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(如各種車載通信信號)，則需要遵守相應的協(xié)議，才能完成信號傳輸。本文以CAN信號為例[8]，CAN信號又稱報文，由二進制數(shù)或數(shù)字脈沖組成數(shù)據(jù)幀，這些幀按功能不同進行分段，這些段又可被稱為幀的域或場。CAN信號主要有數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀4種類型，其中數(shù)據(jù)幀又包含開始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、安全域、應答域和結(jié)束域。傳感器需要根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化為正確格式的報文，后續(xù)步驟中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設備才能按同樣的協(xié)議接收、讀取報文，從而完成整個測試流程。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介入與作用

傳感器將現(xiàn)實的物理量轉(zhuǎn)化為可被測量到的模擬量或數(shù)字量信號后，就需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行后續(xù)處理，這樣也意味著傳感器要與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有相應的通信方式。在汽車常見的測試中，部分模擬量信號可以簡單地通過可自定義線序的各式接口連接通信，常見的如多種針腳數(shù)的Lemo接頭、BNC接頭、Tajimi接頭；有些數(shù)字量信號則需要規(guī)定通信協(xié)議接口才能傳輸，如串行接口、并行接口等。

各數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般有著自己適配的控制軟件，方便操作。如圖2所示的軟件設置界面中，在錄入試驗用到的傳感器信息后，需要使用該軟件建立測試配置。測試配置文件設置界面如圖3所示。設置測試配置時，需要規(guī)定測試使用的硬件、使用通道和對應的傳感器型號，以便軟件與硬件建立通信，獲取對應的數(shù)據(jù)；此外，建立配置還可能涉及測試通道參數(shù)、采樣頻率、診斷、觸發(fā)條件、數(shù)據(jù)下載/保存/輸出、濾波/統(tǒng)計/計算等。在測試中，傳感器將轉(zhuǎn)化后的模擬量信號傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如電橋、電壓、電流等信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在對應的配置下，將測到的電橋、電壓、電流信號經(jīng)過靈敏度系數(shù)的計算還原為物理量，即完成了測試原始數(shù)據(jù)的采集。

圖3 測試配置文件設置界面

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采集數(shù)字量信號(如CAN信號)時，需要對信號進行解碼[8]。在測試過程中，傳感器按協(xié)議將被采集的物理量轉(zhuǎn)化成CAN信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到信號，按照協(xié)議對復雜的報文進行識別和解碼后，即可得到采集到的物理量。

4 數(shù)據(jù)的處理與保存格式

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適配的軟件保存后，可以進行初步處理，如濾波、調(diào)整0時刻、調(diào)整偏移等；隨后可使用數(shù)據(jù)處理相關軟件進行進一步處理與計算。

在測試過程中，因為采樣、失真、噪聲等因素，得到的信號通常需要先進行濾波再進行計算等處理[10]。車輛被動安全測試中常使用CFC(channel filter class)濾波等級對信號通道進行要求，常見的濾波等級主要有CFC60、CFC180、CFC600、CFC1000[11]。CFC濾波等級的要求見表1，可以簡化理解為信號在某一截止頻率衰減，以CFC60為例，要求信號在100 Hz(60/0.6)時，衰減程度在-3 dB，信號最終的濾波效果要在-30 dB，采樣率要求最低為600 Hz。

表1 CFC濾波等級的要求

CFC濾波等級可以通過在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件中設置數(shù)據(jù)采集通道的低通濾波器實現(xiàn),也可以先采集完原始數(shù)據(jù)后再對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波，這些通常能夠在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)，也能夠在專業(yè)處理軟件中實現(xiàn)。但是為了保證數(shù)據(jù)的原始性，通常試驗中采集原始數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)需求進行濾波。在設置軟件的低通濾波器時，可使用4階巴特沃斯(butterworth)濾波器實現(xiàn)。

圖4為某一加速度信號原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過CFC 1 000濾波后的數(shù)據(jù)對比。由圖4a可知，該加速度采樣信號在CFC 1 000濾波后，1 650 Hz截止頻率下衰減3 dB；由圖4b可知，濾波后的信號曲線明顯變得平滑，部分雜峰消失。

圖4 某一加速度信號原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過CFC 1 000濾波后的數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)初步完成處理之后，可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件保存為其他多種格式。一般來說，不同品牌數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適配軟件有其各自的原始數(shù)據(jù)格式，如.dmd、.dat、.dts等。為了便于數(shù)據(jù)在不同分析處理軟件之間傳遞調(diào)用，又可保存為.csv、.mat、.txt等。在車輛被動安全測試領域還有專屬的ISO mme格式，ISO mme格式對數(shù)據(jù)文件層級、數(shù)據(jù)通道等均有規(guī)范要求。使用ISO mme格式保存的數(shù)據(jù)具有比較統(tǒng)一的文件夾結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲規(guī)范，能夠高效地在不同試驗室間傳遞與讀取識別，避免了試驗室以及試驗人員的不同操作習慣導致的數(shù)據(jù)格式不一致。

5 結(jié)束語

本文簡要介紹了車輛被動安全測試的測試架構(gòu)，對其中主要節(jié)點涉及的功能和在這個節(jié)點下被測數(shù)據(jù)進行了處理或運算，方便試驗人員理解測試過程中數(shù)據(jù)的傳遞、轉(zhuǎn)換，以便在遇到數(shù)據(jù)技術問題時及時排查錯誤出現(xiàn)的步驟并處理。