汽車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)研制--畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要研究?jī)?nèi)容是汽車檢測(cè)線制動(dòng)工位測(cè)控系統(tǒng)的研制。GB7258—2007《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)提出了主要技術(shù)條件,規(guī)定了臺(tái)式檢驗(yàn)制動(dòng)性能的檢測(cè)項(xiàng)目及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)要求設(shè)計(jì)了總體方案，根據(jù)檢測(cè)實(shí)際環(huán)境和技術(shù)要求具體設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件和軟件。</p><p>　　首先，在確立了對(duì)汽車制動(dòng)

2、性能參量檢測(cè)及控制的總體方案后，根據(jù)各個(gè)參量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了硬件檢測(cè)電路。第二部分對(duì)軟、硬件的可靠性設(shè)計(jì)、抗干擾措施等方面進(jìn)行了研究。第三部分研究了本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)處理方法。包括FIR數(shù)字濾波算法。最后一部分對(duì)制動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和性能試驗(yàn)，用前面提到的數(shù)據(jù)處理方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 汽車制動(dòng)性 測(cè)控檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾 數(shù)字濾波 FIR </p>

3、<p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This thesis designs automobile braking performance inspecting and control system. Some primary technical qualification of automobile braking has been brought f

4、orward in <automobile safety technical condition>.inspecting item and correlate criterion of table inspection braking performance has been prescripted in it. The hardware and software are designed according to prac

5、tical need. In order to restrain the noise, the design of hardware anti-interference and digital filter is necessary.</p><p>　　Firstly, establishing the blue print of auto braking performance inspecting and

6、control system the hardware has been designed according to the characteristic of the parameter. The second part is the software and hardware reliability and anti-jamming has been researched. The third part is about data

7、processing method including digital filtering arithmetic and data synthesizing technical, such as FIR digital filtering. In the last part, we did some system debug and performance test to braking insp</p><p>

8、;　　Key Words：automobile braking performance inspecting system digital filtering Finite Impulse Response</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1本課題研究的目

9、的及意義1</p><p>　　1.2本課題研究的主要內(nèi)容1</p><p>　　第二章 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及方案2</p><p>　　2.1.1制動(dòng)工作試驗(yàn)臺(tái)的工作原理2</p><p>　　2.1.2汽車制動(dòng)性能檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3</p>

10、<p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　2.3輸入模塊的設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.3.1力傳感器信號(hào)處理電路4</p><p>　　2.3.2速度傳感器信號(hào)處理電路7</p><p>　　2.4 輸出模塊設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11</p>

11、<p>　　第三章 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1干擾的形成14</p><p>　　3.1.1干擾源14</p><p>　　3.1.2耦合方式14</p><p>　　3.2硬件抗干擾措施14</p><p>　　3.2.1供電系統(tǒng)的抗干擾措施14</p>&

12、lt;p>　　3.2.2接地系統(tǒng)的抗干擾措施15</p><p>　　3.2.3針對(duì)電磁場(chǎng)耦合及輻射干擾而采取的措施15</p><p>　　3.2.4 接口電路的抗干擾措施15</p><p>　　3.3用軟件消除干擾的方法16</p><p>　　3.3.1軟件抗干擾的提出16</p><p>　

13、　3.3.2軟件抗干擾的特點(diǎn)16</p><p>　　3.3.3設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波程序16</p><p>　　3.3.4 提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力16</p><p><b>　　3.4總結(jié)17</b></p><p>　　第四章 數(shù)字處理方法研究18</p><p>　　4.1曲線擬合

14、18</p><p>　　4.1.1擬合曲線的優(yōu)化算法19</p><p>　　4.1.2擬合曲線的優(yōu)化算法19</p><p>　　4.1.3段擬合函數(shù)的構(gòu)造20</p><p>　　4.14段擬合函數(shù)的構(gòu)造20</p><p>　　4.15優(yōu)化后制動(dòng)力曲線21</p><p>　　

15、4.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2.1 FIR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介21</p><p>　　4.2.2窗函數(shù)的選擇及程序框圖22</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試23</p><p>　　5.1 制動(dòng)過(guò)程分析23</p><p>　　5.2 系統(tǒng)調(diào)試23</p>

16、<p>　　5.2.1 靜態(tài)調(diào)試23</p><p>　　5.2.2聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試24</p><p>　　5.3 系統(tǒng)標(biāo)定24</p><p>　　5.3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)24</p><p>　　5.3.2制動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)處理25</p><p><b>　　結(jié) 論26</b&

17、gt;</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)27</p><p><b>　　致 謝28</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1本課題研究的目的及意義</p><p>　　機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能是安全檢測(cè)的重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目之一。據(jù)

18、調(diào)查，在機(jī)動(dòng)車發(fā)生的交通事故中由于制動(dòng)不良占有很大的比重，可見機(jī)動(dòng)車必須具備良好的制動(dòng)性能才能保證行駛安全；同時(shí)也只有在此條件下才能提高行駛速度和運(yùn)輸生產(chǎn)率。因此我們應(yīng)該高度重視機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)性能，必須經(jīng)常對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整。</p><p>　　隨著電子技術(shù)和機(jī)械加工工業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展成現(xiàn)代汽車診斷與檢測(cè)技術(shù)。汽車檢測(cè)通常指使用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備，結(jié)合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)來(lái)檢

19、測(cè)汽車技術(shù)狀況，是以工程數(shù)學(xué)、故障物理、可靠性理論、電子學(xué)和電子技術(shù)、信息控制理論等為基礎(chǔ)的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)。汽車檢測(cè)對(duì)于保證交通安全，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，提高運(yùn)輸能力和降低生產(chǎn)成本都具有重要意義。因此選擇汽車性能檢測(cè)作為研究課題是很有現(xiàn)實(shí)意義的。</p><p>　　1.2本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文的研究工作分為三部分。</p><p>　　第一部

20、分是汽車制動(dòng)性測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在確立了對(duì)汽車制動(dòng)性能參量檢測(cè)及控制的總體方案后，根據(jù)各個(gè)參量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了硬件檢測(cè)電路，并介紹了各個(gè)部分的工作原理，最后根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目和功能要求設(shè)計(jì)了軟件。</p><p>　　第二部分討論了對(duì)系統(tǒng)抗干擾和濾波的問題。介紹了在線檢測(cè)系統(tǒng)中干擾信號(hào)和噪聲的排除和抑制的若干途徑。提到了在本系統(tǒng)中如何解決系統(tǒng)中抗干擾和濾波方法。</p><p>　　第三部分是系統(tǒng)調(diào)試

21、部分。</p><p><b>　　本文的主要工作：</b></p><p>　　1、完成汽車制動(dòng)性能整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2、完成FIR算法，設(shè)計(jì)FIR濾波器。</p><p>　　3、對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析及調(diào)試。</p><p>　　第二

22、章 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及方案</p><p>　　2.1.1制動(dòng)工作試驗(yàn)臺(tái)的工作原理</p><p>　　滾筒反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)由結(jié)構(gòu)相同的左右兩套車輪制動(dòng)力測(cè)試單元和一套指示裝置組成。每套車輪制動(dòng)力測(cè)試單元由驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒組、第三滾筒、測(cè)量裝置等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。</p><p&

23、gt;　　1.電動(dòng)機(jī) 2.減速箱 3.壓力傳感器 4.滾筒 5.第三滾筒</p><p>　　6.光電傳感器7.鏈傳動(dòng) 8.測(cè)量指示儀表</p><p>　　滾筒反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)</p><p>　　制動(dòng)力測(cè)量裝置主要由測(cè)力杠桿和應(yīng)變測(cè)力傳感器組成。測(cè)力杠桿一端與傳感器連接，另一端與減速器殼體連接。進(jìn)行汽車制動(dòng)力檢測(cè)時(shí)，將被檢汽車駛上制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，車輪置于主、從動(dòng)滾

24、筒之間，壓下第三滾筒，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器、鏈傳動(dòng)和主、從動(dòng)滾筒帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。被測(cè)車輪制動(dòng)時(shí)，測(cè)力杠桿與減速器殼體將一起繞主動(dòng)滾筒軸線擺動(dòng)，傳感器將測(cè)力杠桿傳來(lái)的、與制動(dòng)力大小成正比的力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)后輸送給后繼處理裝置。當(dāng)車輪速度下降20%時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)[1].[2]。</p><p>　　汽車制動(dòng)性測(cè)量參量包括：車輪阻滯力，制動(dòng)力和檢測(cè)，制動(dòng)力平衡檢測(cè)，制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間檢測(cè)，駐車制動(dòng)力檢測(cè)。因此

25、汽車制動(dòng)性參量測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)主要是力學(xué)參量測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)。其內(nèi)容如下[2]：</p><p>　　1、制動(dòng)力最大測(cè)試范圍0～30000N。</p><p>　　2、踏板力最大測(cè)試范圍0～1000N。</p><p>　　3、零值誤差不超過(guò)±0.1%(FS)。</p><p>　　4、制動(dòng)力不大于4%(FS)的：不超過(guò)±0.

26、4%。</p><p>　　5、制動(dòng)力大于4%(FS)的：不超過(guò)±5%。</p><p>　　6、左右制動(dòng)力示值間差，當(dāng)制動(dòng)力不大于4%(FS)時(shí)不超過(guò)5%，當(dāng)制動(dòng)力大于4%(FS)時(shí)不超過(guò)3%。</p><p>　　7、自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)，其第三滾筒在自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)的線速度值應(yīng)為主滾筒線速度值的70%～90%。</p><p>　　根據(jù)所規(guī)定

27、的技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)制動(dòng)力測(cè)量采用的力傳感器為0.05級(jí)（萬(wàn)分之五）BHR系列懸臂梁式高精度測(cè)力傳感器，量程為0～50000N，供電電壓DC9V～DC15V，輸出信號(hào)1.5～20mV。由此可見，傳感器的選擇足以滿足所需的測(cè)量精度。 </p><p>　　2.1.2汽車制動(dòng)性能檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　GB7258—2007《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)提出了主要技術(shù)條件，

28、規(guī)定了臺(tái)式檢驗(yàn)制動(dòng)性能的檢測(cè)項(xiàng)目及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。制動(dòng)性能臺(tái)式檢驗(yàn)的技術(shù)要求如下：</p><p>　　1、制動(dòng)性能臺(tái)式檢驗(yàn)車軸制動(dòng)力的要求見表2-1。</p><p><b>　　2、制動(dòng)力平衡要求</b></p><p>　　在制動(dòng)力增長(zhǎng)的過(guò)程中，左、右輪制動(dòng)力差與該軸左、右輪中制動(dòng)力大者之比對(duì)前軸不得大于20%，對(duì)后軸不得大于24%。</

29、p><p><b>　　3、車輪阻滯力</b></p><p>　　汽車和無(wú)軌電車車輪阻滯力均不得大于該軸軸荷的5%。</p><p><b>　　4、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間</b></p><p>　　是指從駕駛員踩下制動(dòng)踏板的瞬間作為起始點(diǎn)，直至制動(dòng)力與軸荷之比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的75%時(shí)為止。單車不得大于0.6

30、s，汽車列車不得大于0.8s。</p><p>　　表2-1 臺(tái)式檢驗(yàn)制動(dòng)力要求</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　由前面介紹的汽車在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試制動(dòng)性的原理以及制動(dòng)性參量檢測(cè)的技術(shù)指標(biāo)可知，實(shí)時(shí)性、測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、控制的可靠性和強(qiáng)抗干擾能力是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[15]。</p><

31、p>　　本測(cè)試系統(tǒng)由工控機(jī)結(jié)合單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和控制等功能，傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后送A/D轉(zhuǎn)換，向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，以便與PC機(jī)通信。工控機(jī)通過(guò)I/O來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)的啟動(dòng)和停止?？傮w結(jié)構(gòu)方案如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案</p><p>　　2.3輸入模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1力傳感器信號(hào)處理電路</p&g

32、t;<p>　　由上面的分析可以得到力傳感器信號(hào)測(cè)量的技術(shù)方案如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 壓力傳感器信號(hào)處理框圖[3]</p><p>　　1、V/I電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　V/I轉(zhuǎn)換器的一個(gè)功能是把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的電流信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)電壓電流變換；另一個(gè)功能是，若輸入信號(hào)電 壓不變，則輸出電流恒定，此時(shí)的V

33、/I轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)恒流源。集成運(yùn)算放大器型接地負(fù)載V/I轉(zhuǎn)換器的電路，如圖2-4所示。</p><p>　　為運(yùn)算放大器，一般是中功率晶體管，和為輸入電阻，和為輸入反饋電阻，為限流電阻，為電流反饋采樣電阻，是負(fù)載電阻，為輸入電壓0~20，為輸出電流0~20。</p><p>　　圖2-4　0~20電壓轉(zhuǎn)換成0~20電流的轉(zhuǎn)換器</p><p>　　該電路中采樣電阻浮

34、置而負(fù)載電阻接地。因浮置故需兩個(gè)輸入反饋電阻和。常規(guī)的輸入反饋電阻用于電流采樣。而接到的另一端用以提供被轉(zhuǎn)換的電壓，若不用，則和均成為采樣電阻，輸出電流就和有關(guān)，不是恒流源。集成運(yùn)算放大器接成深反饋同相放大器，同時(shí)存在正、負(fù)兩種反饋，由于改變時(shí)，點(diǎn)電位變化比點(diǎn)大，反饋的凈效應(yīng)仍然為負(fù)。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，反饋采樣電阻采到的電流信號(hào)，以電壓的形式加到運(yùn)算放大器的輸入端，且極性與輸入信號(hào)反相，所以這是一個(gè)電流并聯(lián)負(fù)反饋線路。而且采

35、樣反饋的信號(hào)正是要輸出的電流信號(hào)，這樣輸出電流具有恒流作用。能增加電流驅(qū)動(dòng)，使最大輸出電流不受集成運(yùn)算放大器的輸出電流的限制。</p><p>　　2、I/V 電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　RCV420是美國(guó)RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片,用于將4~20mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0~5V輸出信號(hào),具有很高的性能價(jià)格比。它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密

36、10V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%,共模抑制比CMR達(dá)86dB,共模輸入范圍達(dá)±40V。RCV420無(wú)需其它外圍器件輔助,就能實(shí)現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無(wú)需調(diào)節(jié),較之由分立器件設(shè)計(jì)的印制板電路,RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用。</p><p><b>　　1、基本原理</b></p><p><b>　　圖2-5

37、功能框圖</b></p><p>　　圖2-5是RCV420的功能框圖。當(dāng)4~20mA電流輸入對(duì)應(yīng)0~5V電壓輸出時(shí),要求電路的傳輸阻抗為:</p><p>　　為了得到期望的輸出(4mA時(shí)0V,20mA時(shí)5V),放大器的輸出必須有一個(gè)偏置：</p><p>　　輸入電流信號(hào)接至+IN端還是接至-IN端取決于信號(hào)的極性,并經(jīng)過(guò)中心抽頭返回地端。兩個(gè)匹配的

38、75檢測(cè)電阻構(gòu)成對(duì)稱輸入,可最大程度地抑制腳的共模電壓信號(hào),消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的不均衡。檢測(cè)電阻將輸入的電流信號(hào)經(jīng)差分放大器放大,轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之成正比的電壓。</p><p>　　位于放大器反饋通道中的T型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于產(chǎn)生所需要的-1.25V偏置電壓。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)提供了很高的輸入阻抗,并將共模輸入電壓衰減至運(yùn)算放大器的共模信號(hào)容限內(nèi)。</p><p>　　圖2-6是帶二階低

39、通濾波電路的4~20mA至0~10V實(shí)際轉(zhuǎn)換電路。使用過(guò)程中10、11和12腳相連,2、5和13腳相連接地,14和15腳相連接,作為0~5V電壓信號(hào)的輸出端。當(dāng)需要調(diào)整增益時(shí),14和15腳之間接入電位器來(lái)調(diào)整增益,但這樣會(huì)減小共模抑制比,因此,正負(fù)電源腳各接一個(gè)1的退耦電容,并盡可能地靠近放大器。為避免由外部電路引入的增益和CMR誤差,應(yīng)按圖示方法接地,并確保最小接地電阻。輸入信號(hào)視其極性或接至+In腳,或接至-In腳,經(jīng)中心抽頭腳返回

40、地端。圖中的輸入信號(hào)由+In端輸入至RCV420，經(jīng)過(guò)變換之后輸出0~5V的電壓信號(hào)。信號(hào)再次經(jīng)過(guò)線性放大后輸出為0~10V的要求電壓信號(hào)。</p><p>　　圖2-6 I/V轉(zhuǎn)換電路[4]</p><p>　　3、A/D轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)檢測(cè)系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)精度的要求和信號(hào)變化速率選擇具有合適分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間的A/D元件。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中

41、關(guān)于制動(dòng)力檢測(cè)精度規(guī)定檢測(cè)允許誤差為25N，本系統(tǒng)中制動(dòng)臺(tái)單邊最大量程為32500N誤差為25N，而 1/211<25/32500<1/210，所以從分辨率的角度選取12位A/D芯片即可滿足要求。制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間一般只有在一秒鐘之內(nèi)，而且要求準(zhǔn)確的反映制動(dòng)力曲線，這個(gè)區(qū)間至少應(yīng)有幾百個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，加之?dāng)?shù)字濾波的要求，則需要1000個(gè)以上的采樣點(diǎn)，即要求轉(zhuǎn)換時(shí)間不得大于0.5ms。所以從轉(zhuǎn)換時(shí)間的角度應(yīng)選取快速A/D芯片。<

42、;/p><p>　　根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)中采用A/D1674芯片。A/D1674是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的12位逐次比較式快速A/D轉(zhuǎn)換器，是AD574的替代產(chǎn)品，是一種內(nèi)部由雙片雙極型電路組成的28腳雙列直插式的集成A/D轉(zhuǎn)換器。其非線性誤差小于±1/2LBS，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間10µs。A/D1674內(nèi)部設(shè)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，因而可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，而無(wú)需外接元器件就可獨(dú)立完成A

43、/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。</p><p>　　2.3.2速度傳感器信號(hào)處理電路</p><p>　　1、速度信號(hào)測(cè)量的原因及測(cè)量原理[7]</p><p>　　測(cè)試車輪速度是為了控制制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)的。當(dāng)汽車車輪抱死時(shí)，所要測(cè)量的最大制動(dòng)力已經(jīng)出現(xiàn)，要控制試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)停轉(zhuǎn)。制動(dòng)力測(cè)試時(shí)，主、從滾筒，車輪，第三滾筒的速度變化如圖2-7所示。圖中、、、均為線速度。<

44、;/p><p>　　V1為主滾筒的速度，V2為車輪的速度，V3為第三滾筒速度，V4為從滾筒的速度</p><p>　　圖2-7 滾筒、車輪和第三滾筒的速度變化</p><p>　　汽車駛?cè)胫苿?dòng)試驗(yàn)臺(tái)車輪置于主、從滾筒之間，同時(shí)壓下第三滾筒。第三滾筒和車輪可靠接觸，制動(dòng)臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)后主滾筒帶動(dòng)車輪和從滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，第三滾筒由于和車輪可靠接觸

45、，所以車輪也會(huì)帶動(dòng)第三滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，第三滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。電機(jī)啟動(dòng)至主滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，汽車制動(dòng)踏板未踩下時(shí)，由圖2-7可知，主、從滾筒、車輪和第三滾筒的線速度應(yīng)相等，即：</p><p>　?。剑剑?(2-1)</p><p>　　當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，主滾筒的速度由于是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的，所以它的線

46、速度不變，而車輪的線速度由于汽車制動(dòng)系的作用而降低變?yōu)?，同時(shí)第三滾筒的線速度變?yōu)?，因?yàn)榈谌凉L筒是由車輪帶動(dòng)的，所以應(yīng)該有= 。從汽車?yán)碚撝R(shí)可知，制動(dòng)時(shí)汽車的地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力以及附著力之間存在著這樣的關(guān)系：車輪還處于滾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，地面制動(dòng)力等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且隨踏板力的增長(zhǎng)而成正比增加。但隨著踏板力的增大，當(dāng)?shù)孛嬷苿?dòng)力等于附著力時(shí)，車輪抱死拖滑，這時(shí)踏板力雖增加，但地面制動(dòng)力不再增長(zhǎng)，而恒等于附著力。汽車在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)滾筒上制動(dòng)時(shí)，

47、當(dāng)踏板力增大，使車輪與滾筒表面制動(dòng)力增加到等于附著力時(shí)，車輪抱死，制動(dòng)力的采集值即為此時(shí)的值。這時(shí)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)滾筒的電機(jī)應(yīng)馬上停止，才不會(huì)使輪胎剝傷。汽車制動(dòng)時(shí)車輪既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)，為了表明滑動(dòng)的程度，即說(shuō)明滑移成分的多少，通常用滑移率[3]來(lái)表示，即：</p><p>　　S = (V－rkω)÷V×100% (2-2)</p>

48、<p>　　式中: —滑移率；</p><p><b>　　—車輪平移線速度；</b></p><p><b>　　—車輪滾動(dòng)半徑；</b></p><p><b>　　—車輪滾動(dòng)角速度；</b></p><p>　　在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上汽車制動(dòng)滑移率可表示為：&

49、lt;/p><p>　　S= V'3÷V1×100% (2-3)</p><p>　　理論證明最大制動(dòng)力出現(xiàn)在滑移率在70%～90%之間[2]。所以要測(cè)量第三滾筒的速度來(lái)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。</p><p>　　第三滾筒上裝有光電式速度傳感器。第三滾筒每轉(zhuǎn)一周，傳感器輸出20個(gè)脈沖。在本測(cè)控系統(tǒng)

50、中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1440 r/min，減速箱的轉(zhuǎn)速比為22，則主滾筒的轉(zhuǎn)速為：</p><p>　　=65.45r/min (2-4)</p><p>　　在計(jì)算上通常用轉(zhuǎn)速（r/min）來(lái)表示滾筒的速度[7]，則計(jì)算停電機(jī)時(shí)的線速度比值（滑移率）可表示為：</p><p>　　%

51、 (2-5)</p><p><b>　　式中：—線速度比值</b></p><p>　　—主滾筒轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　—第三滾筒轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p>　　—主滾筒直徑（mm）</p><p>　　—第三滾筒直徑（mm）</p>

52、<p>　　本系統(tǒng)中，主滾筒的直徑為190mm，第三滾筒的直徑為60mm。則第三滾筒最大的轉(zhuǎn)速為：</p><p>　　==207 r/min=3.45 r/s</p><p>　　由此可得第三滾筒最大轉(zhuǎn)速時(shí)，傳感器輸出方波的頻率為：</p><p>　　由滑移率范圍70%～90%可得傳感器輸出方波得頻率范圍為：</p><p>

53、　　2、速度信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)</p><p>　　速度傳感器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、限幅、整形后直接送到8253-5定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后送到工控機(jī)中。電路如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-8 速度信號(hào)處理電路[5]</p><p>　　圖2-8中，第三滾筒產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)放大后，被5V穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再經(jīng)74LS32整形后直接輸入至定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)

54、數(shù)。本次設(shè)計(jì)采用8253-5來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。</p><p>　　8253-5內(nèi)部有三個(gè)16位減法計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有獨(dú)立的輸入輸出控制寄存器，都有六種不同的工作方式，可由編程確定，輸出與兼容[7]。</p><p>　　圖2-9　8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　(1) 8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線緩沖器，用于與的總線連接，通過(guò)這個(gè)緩沖器，可向8253寫方

55、式控制字，向某計(jì)數(shù)器寫初值，讀某計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。</p><p>　　(2) 讀/寫邏輯，由它決定三個(gè)計(jì)數(shù)器和控制字寄存器哪一個(gè)可以工作，并控制內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)傳送方向。片選信號(hào)為高時(shí)讀/寫邏輯被禁止，但不影響計(jì)數(shù)器現(xiàn)行工作。</p><p>　　(3) 控制字寄存器，當(dāng)?shù)刂房偩€最低位為11時(shí)，這個(gè)寄存器才能工作，它從數(shù)據(jù)總線緩沖器中接收控制字并寄存起來(lái)，這個(gè)寄存器中的控制字控制每一個(gè)寄存器

56、的操作方式。</p><p>　　(4) 三個(gè)計(jì)數(shù)器完全獨(dú)立，每個(gè)計(jì)數(shù)器都可對(duì)輸入脈沖按二進(jìn)制或二－十進(jìn)制從預(yù)制數(shù)開始減1計(jì)數(shù)。</p><p>　　8253-5定時(shí)/計(jì)數(shù)器與單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)如下：</p><p>　　圖2-10 8253與單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)框圖</p><p>　　試驗(yàn)臺(tái)體產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后送到8253-5的輸入

57、端，三個(gè)門控端通過(guò)一個(gè)電阻接到電源上，使之為高電平，即處于允許計(jì)數(shù)狀態(tài)。三個(gè)輸出端不用，為防止干擾，可通過(guò)電容接地。數(shù)據(jù)線與8031的相連，8253-5的片選信號(hào)接8031的口，接地址鎖存器由8031的控制，8031和8253間的其他數(shù)據(jù)、指令往來(lái)在控制線、共同作用下完成。</p><p>　　8253是可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有六種工作方式，每個(gè)計(jì)數(shù)器的功能選定由控制字決定，編程的控制字由通過(guò)數(shù)據(jù)口

58、送到8253的控制字寄存器。8253的方式4為軟件觸發(fā)方式，當(dāng)設(shè)置完初值后，計(jì)數(shù)器立即開始計(jì)數(shù)，當(dāng)減1計(jì)數(shù)到0后輸出端變低一個(gè)輸入時(shí)鐘周期，然后又恢復(fù)為高電平，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器在方式4時(shí)是一次有效的，每一次計(jì)數(shù)都重要新設(shè)置計(jì)數(shù)初值。在這里不取8253的輸出，要的是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，因?yàn)?253是減1計(jì)數(shù)，把計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值設(shè)置為，定時(shí)時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為初值與讀得的終值的差。例計(jì)數(shù)器終值為，則計(jì)數(shù)值為：</p><p

59、>　?。?＝ (2-6)</p><p>　　如果把讀得的計(jì)數(shù)器終值取反則有：</p><p>　　= (2-7)</p><p>　　所以不必做減法，直接把讀得的計(jì)數(shù)器終值取反即可[8]。</p><p>　　2.4 輸出模塊設(shè)計(jì)</p&

60、gt;<p>　　試驗(yàn)臺(tái)滾筒的驅(qū)動(dòng)是靠電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成的，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制是一個(gè)弱電控制強(qiáng)電的問題。采用內(nèi)部帶有光電隔離的固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O輸出接口，控制電機(jī)的啟停。</p><p>　　圖2-14 固態(tài)繼電器接口電路[8]</p><p>　　實(shí)際電路框圖如圖2-14所示，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)由74LS373鎖存經(jīng)光電隔離芯片后，進(jìn)入功率驅(qū)動(dòng)芯片(MC141

61、3)，由37芯D型孔頭輸出開關(guān)量信號(hào)。功率輸出時(shí)要求從機(jī)外提供+24V或+12V電源，開關(guān)量輸出信號(hào)為共外電源方式，不是共地方式，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器。通過(guò)這個(gè)接口電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)弱電對(duì)電機(jī)強(qiáng)電的控制，成功的實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)啟停的控制。</p><p>　　在上圖所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，功率驅(qū)動(dòng)是由MC1413芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)接線方法如圖2-15所示。外部需要驅(qū)動(dòng)的信號(hào)由計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過(guò)74LS244進(jìn)行接口驅(qū)動(dòng)后

62、，直接送入驅(qū)動(dòng)芯片MC1413的輸入端，再在MC1413的驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)用戶負(fù)載。</p><p>　　圖2-15 MC1413標(biāo)準(zhǔn)接線方法</p><p>　　MC1413是集電極開路的功放電路，將負(fù)載的一端（如繼電器的輸入線圈一端）接入到MC1413的接線端子上，另一端接電源的正極。當(dāng)施加到MC1413的電壓信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電流從電源流過(guò)用戶負(fù)載，通過(guò)三極管流向地線；當(dāng)施加

63、到MC1413的電壓信號(hào)為低電平時(shí)，三極管截止，在用戶負(fù)載上就不能有電流流過(guò)，從而使負(fù)載不工作。</p><p><b>　　2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)中的汽車到位判斷是通過(guò)光電開關(guān)的電壓來(lái)判斷的；啟動(dòng)左、右電機(jī)是由系統(tǒng)控制I/O，然后控制固態(tài)繼電器完成對(duì)強(qiáng)電的控制。圖2-16把檢測(cè)控制部分的程序編寫成塊，以便其他過(guò)程調(diào)用。圖2-17就是全過(guò)

64、程的程序流程。</p><p>　　圖2-16 檢測(cè)過(guò)程控制程序流程</p><p>　　圖2-20 全過(guò)程的程序流程</p><p>　　第三章 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1干擾的形成</b></p><p>　　形成干擾必須具備三個(gè)條件：干擾源、對(duì)干擾敏感的接收電路、干

65、擾源到接收電路的耦合通道。</p><p>　　圖3-1 干擾形成示意圖</p><p><b>　　3.1.1干擾源</b></p><p>　　凡是能產(chǎn)生一定的電磁能量，而且可能影響到周圍電路正常工作的物體或設(shè)備，都可以認(rèn)為是電干擾源。干擾源一般可以分為三類：</p><p>　　a、自然界的：如宇宙射線和雷電等；&

66、lt;/p><p>　　b、物質(zhì)本身固有的：如物質(zhì)本身所固有的熱干擾和散粒干擾；</p><p>　　c、人為的：主要由電氣、電子設(shè)備造成。</p><p><b>　　3.1.2耦合方式</b></p><p><b>　　1、傳導(dǎo)耦合</b></p><p>　　干擾信號(hào)經(jīng)導(dǎo)

67、線傳播進(jìn)入電路，我們稱為傳導(dǎo)耦合。大容量的用電設(shè)備在啟停時(shí)所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)會(huì)從交流電源線直接影響電腦控制系統(tǒng)電源電壓的穩(wěn)定性。此外，電路中較長(zhǎng)的信號(hào)線還可能受鄰近電路或空間電磁場(chǎng)的影響，在導(dǎo)線形成干擾。</p><p>　　2、經(jīng)公共阻抗的耦合</p><p>　　在電腦控制系統(tǒng)中，主計(jì)算機(jī)的I/O接口電路與各崗位的控制箱之間，為了測(cè)量和控制，需要一個(gè)電位參考點(diǎn)，最簡(jiǎn)單也是最常見的就是地線

68、作為參考，由于導(dǎo)線存在電阻，這就形成了公共地阻抗。由于主機(jī)與各崗位電子設(shè)備相隔一定距離，因而兩端的地電位不可能完全相等，即兩“地”之間的電位差就會(huì)疊加到信號(hào)電壓上形成干擾。</p><p><b>　　3、電磁場(chǎng)耦合</b></p><p>　　由于電路中元件與元件之間、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元件之間都存在著分布電容，因此，某一導(dǎo)體上的干擾電壓就會(huì)通過(guò)分布電容使其它導(dǎo)

69、體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象我們稱為電容耦合。</p><p>　　3.2硬件抗干擾措施</p><p>　　硬件抗干擾主要采用隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制干擾。常用的隔離措施有采用A/D、D/A與單片機(jī)進(jìn)行隔離以及用繼電器、光電隔離器、光電隔離固態(tài)繼電器(SSR)等隔離器件對(duì)開關(guān)量進(jìn)行隔離[11]。</p><p>　　3.2.1供電系統(tǒng)的抗干擾措施&

70、lt;/p><p>　　1、要求整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)單獨(dú)供電。</p><p>　　2、把機(jī)房?jī)?nèi)微機(jī)系統(tǒng)的供電與外面控制箱和各檢測(cè)儀器的供電以及其它電器三者分開供電。</p><p>　　3、微機(jī)房?jī)?nèi)宜用穩(wěn)壓性能較好的參數(shù)穩(wěn)壓器(500VA)，最好采用不斷電源(UPS)供電。而機(jī)房外的控制設(shè)備和檢測(cè)儀要采用參數(shù)穩(wěn)壓器或普通交流穩(wěn)壓器(1000VA)供電。</p>

71、<p>　　3.2.2接地系統(tǒng)的抗干擾措施 </p><p>　　1、接地線宜短且粗，以減少地電阻；同時(shí)把大電流電路和弱信號(hào)電路的地線分開走線。</p><p>　　2、單點(diǎn)接地。即系統(tǒng)的地線分成三類：第一類為信號(hào)地，它包括小信號(hào)加回路、邏輯的控制電路的信號(hào)地；第二類為功率地，它包括繼電器、電磁閥、大電流驅(qū)動(dòng)電源等大電流、大功率電路的地；第三類為機(jī)殼地，包括設(shè)備機(jī)架、機(jī)柜、

72、箱體結(jié)構(gòu)等金屬結(jié)構(gòu)地。這三類分別自成系統(tǒng)，最后才匯集于一點(diǎn)并與大地相連，使整系統(tǒng)地處于地電位。</p><p>　　3.2.3針對(duì)電磁場(chǎng)耦合及輻射干擾而采取的措施</p><p>　　1、盡量削弱干擾信號(hào)</p><p>　　首先對(duì)繼電器、交流接觸器的驅(qū)動(dòng)電路采用耗能和限幅措施。其次，將所有大功率交流負(fù)載的繼電器都以控制箱為單元集中在一起，并用金屬盒加以屏蔽。最后，

73、將繼電器的驅(qū)動(dòng)電流回路與其它的數(shù)字邏輯回路分開，使大電流在箱內(nèi)自成回路。</p><p>　　2、為切斷電磁場(chǎng)耦合通道，所有信號(hào)線都采用屏蔽線，并將屏蔽層單端接地。在走線方面，把信號(hào)與動(dòng)力線分開布設(shè)，不能把電纜線的屏蔽層當(dāng)作信號(hào)線或公用線使用[17]。</p><p>　　3.2.4 接口電路的抗干擾措施</p><p><b>　　1、濾波</b

74、></p><p>　　濾波器是利用電容兩端的電壓不能突變的特性做成的。例如，為了消除開關(guān)觸點(diǎn)機(jī)械摩擦的抖動(dòng)所造成的干擾，必須在TTL電路的開關(guān)輸入回路中加入濾波環(huán)節(jié)。其電路形式如下圖。</p><p><b>　　圖3-2 濾波電路</b></p><p><b>　　2、去耦</b></p><

75、;p>　　所謂去耦，就是利用RC或RL濾波環(huán)節(jié)來(lái)消除或抑制直流電源回路因負(fù)載變化引起的干擾。下圖為多級(jí)放大器回路，其中C1是電源去耦電容，RC2為級(jí)間去耦電路[11]。</p><p><b>　　圖3-3 去耦電路</b></p><p>　　3.3用軟件消除干擾的方法</p><p>　　3.3.1軟件抗干擾的提出</p>

76、<p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于大量干擾源的存在，雖然不足以破壞硬件，但是往往能使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不可靠，程序飛逸，嚴(yán)重時(shí)計(jì)算機(jī)控制失靈，產(chǎn)生事故。這些不穩(wěn)定的因素常常產(chǎn)生于工作或者生產(chǎn)的全過(guò)程中。而且，這些干擾信號(hào)大多是瞬時(shí)存在，時(shí)間間隔不確定，傳播途徑不清楚。由于故障的特點(diǎn)是具有暫時(shí)性、間歇性和隨機(jī)性，用純硬件的辦法較困難，使用較少。特別是計(jì)算機(jī)軟件辦法能更好的解決這類干擾。</p><p>

77、　　3.3.2軟件抗干擾的特點(diǎn)</p><p>　　一般在兩種情況下需要用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)去抗干擾。一種是為了提高效能、節(jié)省硬件，從而用軟件去取代硬件抗干擾技術(shù)；另一種是用軟件去解決硬件解決不了的問題。軟件抗干擾是一種廉價(jià)、靈活、方便的方式。純軟件抗干擾不需要硬件資源，不改變硬件環(huán)境，不需要對(duì)干擾源精確定位，不需要定量分析，故實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活、方便，用于儀表及工業(yè)控制工程有很好的可靠性保證[9]。</p>

78、<p>　　3.3.3設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波程序</p><p>　　該技術(shù)既可稱硬件仿真技術(shù)，又可屬時(shí)間冗余技術(shù)。它不需要硬件，靠計(jì)算機(jī)的高速、多次運(yùn)算達(dá)到模擬并提高精度的目的。根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同，消除干擾的軟件濾波的方法也不同：對(duì)溫度、壓力等模擬量，可采取算術(shù)平均值濾波，因其對(duì)高斯型的噪聲的濾波有效；中值濾波對(duì)尖刺脈沖干擾、階躍干擾等模擬量有效；一階滯后濾波由于采用了遞推技術(shù)，對(duì)快速的干擾源濾波有效；

79、邏輯濾波用于開關(guān)量濾波，信號(hào)是二值狀態(tài)，采用多數(shù)表決法，用邏輯與或邏輯或作濾波結(jié)果。以上各項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)可相互配合使用。在分類上還可以歸并，如冗余技術(shù)歸為容錯(cuò)技術(shù)等[10]。</p><p>　　3.3.4 提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力</p><p>　　容忍錯(cuò)誤反而能夠提高可靠性的原理在于投入了更多的超過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)所需的外加資源開銷，從而換取了常規(guī)設(shè)計(jì)達(dá)不到的可靠性。外加資源開銷（冗余）包括：外加

80、硬件（增加器件、增加線路整機(jī)或者接口），外加軟件（如檢錯(cuò)診斷程序、雙工切換程序等），外加信息碼（檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼、奇偶校驗(yàn)位、抗干擾碼），外加時(shí)間（重復(fù)執(zhí)行指令、重復(fù)取數(shù)、重復(fù)執(zhí)行程序）等。</p><p>　　軟件容錯(cuò)技術(shù)的主要措施是信息冗余和時(shí)間冗余。</p><p><b>　　3.4總結(jié)</b></p><p>　　硬件抗干擾發(fā)展的歷史較長(zhǎng)，

81、理論和實(shí)踐比較成熟，主要抗干擾技術(shù)有各種接地處理、屏蔽和隔離、濾波、去耦、旁路等。硬件抗干擾抑制和消除了大部分的干擾，但完全依靠硬件電路來(lái)消除所有的干擾是不可能的。軟件抗干擾發(fā)展較晚，目前還沒有形成較完善的理論。但是，利用微機(jī)的記憶、快速計(jì)算和邏輯判斷功能，從軟件方面進(jìn)行干擾抑制和消除的研究，己逐漸受到人們重視。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往結(jié)合硬件抗干擾和軟件抗干擾技術(shù)，從而可以得到比較理想的抗干擾效

82、果。</p><p>　　第四章 數(shù)字處理方法研究</p><p>　　計(jì)算機(jī)測(cè)量用的被測(cè)信號(hào)一般都含有誤差，如何將誤差從被測(cè)值中去除，如何減小測(cè)量結(jié)果中的誤差含量，是常見數(shù)據(jù)處理問題之一。由誤差理論，按測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差性質(zhì)，可將誤差分為三類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、過(guò)失誤差。對(duì)汽車檢測(cè)設(shè)備而言，與其它計(jì)量器具相似，其測(cè)試誤差基本上由系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差兩方面組成。</p>

83、<p>　　既然使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，可從軟件方面采取措施來(lái)提高采集效率，改善數(shù)據(jù)處理效果。</p><p><b>　　4.1曲線擬合</b></p><p>　　在汽車制動(dòng)性能的檢測(cè)中，關(guān)鍵是對(duì)汽車制動(dòng)時(shí)其制動(dòng)力變化全過(guò)程的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)制動(dòng)力變化全過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，得出反映汽車制動(dòng)性能指標(biāo)的各項(xiàng)參數(shù)，最終按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽

84、車制動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而分析判斷制動(dòng)系存在故障的部位。但是，在一般的汽車檢測(cè)控制系統(tǒng)中，由于機(jī)械臺(tái)架結(jié)構(gòu)、傳感器的非線性以及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾信號(hào)的影響等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)無(wú)法完全真實(shí)地反映制動(dòng)力變化的過(guò)程，采集得到的制動(dòng)力變化曲線出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試精度和評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面是在制動(dòng)力檢測(cè)過(guò)程中模擬信號(hào)數(shù)字化處理后得到的一組典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù),記作如表4-1所示。</p><p>　　目前

85、常見的一些曲線擬合方法中，對(duì)各個(gè)物理量的處理有失公平性原則，通常是在處理中確保某一個(gè)物理量的擬合誤差達(dá)到“最小”，而沒有考慮到其它物理量的擬合誤差。 </p><p>　　數(shù)據(jù)擬合實(shí)質(zhì)是數(shù)值逼近的一個(gè)分支。該設(shè)計(jì)中作為逼近工具的函數(shù)類應(yīng)具有下述性質(zhì)[13]：</p><p>　　(1)函數(shù)類中的函數(shù)相對(duì)光滑；</p><p>　　(2)易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；</p&

86、gt;<p>　　(3)逼近函數(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)有良好的近似。</p><p>　　表4-1 數(shù)字化后制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)</p><p>　　4.1.1擬合曲線的優(yōu)化算法</p><p>　　由于制動(dòng)力數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)類型未知，解決的辦法是作出分段多項(xiàng)式，但這時(shí)函數(shù)的光滑性顯然不良；采用樣條函數(shù)擬合，理論上完全可行，但是在該設(shè)計(jì)的實(shí)際中，主要問題是某區(qū)間節(jié)點(diǎn)過(guò)多，

87、曲線不理想。如果人為減少某區(qū)間節(jié)點(diǎn)數(shù)，那么逼近函數(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)的近似性將受到影響。針對(duì)這些問題，優(yōu)化算法的主要思想是利用三次樣條曲線重要性質(zhì)中的反算擬合性質(zhì)，根據(jù)給定點(diǎn)反求它的控制點(diǎn)，再依這些控制點(diǎn)畫出三次樣條曲線。</p><p>　　該試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化關(guān)鍵問題是如何求得這些控制點(diǎn)。方法是每段按其數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，構(gòu)造相應(yīng)段擬合函數(shù)，節(jié)點(diǎn)處的值作為控制點(diǎn)，采用符號(hào)便于同試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的區(qū)別，最后對(duì)數(shù)據(jù)組采用樣條函數(shù)擬合，式中

88、的值代表整條曲線劃分的段數(shù)。該設(shè)計(jì)中將制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為五段：，如圖4-1所示。 </p><p>　　圖4-1 制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣條擬合曲線</p><p>　　4.1.2擬合曲線的優(yōu)化算法</p><p>　　由于制動(dòng)力數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)類型未知，解決的辦法是作出分段多項(xiàng)式，但這時(shí)函數(shù)的光滑性顯然不良；采用樣條函數(shù)擬合，理論上完全可行，但是在該設(shè)計(jì)的實(shí)際中，主要問題是

89、某區(qū)間節(jié)點(diǎn)過(guò)多，曲線不理想。如果人為減少某區(qū)間節(jié)點(diǎn)數(shù)，那么逼近函數(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)的近似性將受到影響。針對(duì)這些問題，優(yōu)化算法的主要思想是利用三次樣條曲線重要性質(zhì)中的反算擬合性質(zhì)，根據(jù)給定點(diǎn)反求它的控制點(diǎn)，再依這些控制點(diǎn)畫出三次樣條曲線。</p><p>　　該試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化關(guān)鍵問題是如何求得這些控制點(diǎn)。方法是每段按其數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，構(gòu)造相應(yīng)段擬合函數(shù)，節(jié)點(diǎn)處的值作為控制點(diǎn)，采用符號(hào)便于同試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的區(qū)別，最后對(duì)數(shù)據(jù)組采用樣

90、條函數(shù)擬合，式中的值代表整條曲線劃分的段數(shù)。該設(shè)計(jì)中將制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為五段：，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣條擬合曲線</p><p>　　4.1.3段擬合函數(shù)的構(gòu)造</p><p>　　對(duì)于段數(shù)據(jù)，根據(jù)圖4-2的曲線特征，從表4-1中取出前29組數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，選用二次多項(xiàng)式作為擬合函數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，最小二乘擬合多項(xiàng)

91、式為：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　以式(4-7)作為反算函數(shù)，表4-1中為節(jié)點(diǎn)，得到段控制點(diǎn)，見表4-2。</p><p>　　表4-2反算出的段控制點(diǎn)</p><p>　　4.14段擬合函數(shù)的構(gòu)造</p><p>　　根據(jù)無(wú)噪聲條件下段曲線特點(diǎn)，采用一次

92、最小二乘逼近。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算一次函數(shù)擬合式為[14]：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　以式(4-2)作為反算函數(shù)，得到段控制點(diǎn)。見表4-3。</p><p>　　表4-3 反算出的段控制點(diǎn)</p><p>　　其它段控制點(diǎn)的算法與、段算法相同，不再贅述。</p><

93、;p>　　4.15優(yōu)化后制動(dòng)力曲線</p><p>　　根據(jù)上述優(yōu)化算法，最后得到所有控制點(diǎn)集，依這些控制點(diǎn)畫出三次樣條曲線，如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 優(yōu)化前后制動(dòng)力曲線對(duì)比</p><p>　　4.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用廣泛的一種線性系統(tǒng)環(huán)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)的

94、模擬濾波器，數(shù)字濾波器有濾波精度高、穩(wěn)定性高和靈活性高的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應(yīng)的不同可分為無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器和有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。其中，F(xiàn)IR濾波器可以在幅度特性隨意設(shè)定的情況下，保證精確嚴(yán)格的線性相位特性，且不存在不穩(wěn)定問題。濾波是必要的抗干擾措施之一。考慮到數(shù)字濾波器的上述優(yōu)越性，采用數(shù)字濾波器。</p><p>　　4.2.1 FIR結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介</p>

95、<p>　　當(dāng)有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器的輸入為沖激序列時(shí)，其輸出為有限序列，該序列稱為濾波器的沖激響應(yīng)。FIR的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。數(shù)學(xué)上表示為</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　、分別是輸出輸入序列，是濾波器的沖激響應(yīng)，N是的長(zhǎng)度。式(4-1)由于沖激響應(yīng)系數(shù)h(n)具

96、有對(duì)稱特性，因此階數(shù)為偶數(shù)時(shí)具有偶對(duì)稱，即令，式(4-1)可改寫為</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　改進(jìn)后N次乘法減少為次，加法次數(shù)增加了，總的運(yùn)算量得以減少。</p><p>　　4.2.2窗函數(shù)的選擇及程序框圖</p><p>　　為減小濾波器的截?cái)嘈?yīng)，選擇海明窗函數(shù)。窗函數(shù)法

97、設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟[10]為：</p><p>　　a、根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的理想單位取樣響應(yīng)；</p><p>　　b、選擇窗函數(shù)，并估計(jì)窗口長(zhǎng)度；</p><p>　　c、計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)，即系數(shù)h(i)；</p><p>　　d、驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否符合要求</p><p>　　如果有必要的話，重復(fù)

98、上述步驟b-d，可以實(shí)現(xiàn)濾波器。</p><p>　　圖4-4 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器主程序框圖</p><p><b>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　5.1 制動(dòng)過(guò)程分析</p><p>　　在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力變化如圖5-1所示。當(dāng)駕駛員聽到“踩腳剎車”命令后，經(jīng)時(shí)間才意識(shí)到應(yīng)進(jìn)行制動(dòng)行為。因每

99、個(gè)人的反應(yīng)聽力、動(dòng)作協(xié)調(diào)快慢的不同而不同，一般為0.3～1.0s。駕駛員踏住制動(dòng)踏板后，踏板力迅速增加，但由于制動(dòng)器的蹄片與制動(dòng)鼓之間存在間隙，要經(jīng)過(guò)時(shí)間才能使汽車開始減速，不同的車輛也不相同，一般取0.1s。稱為制動(dòng)力協(xié)調(diào)時(shí)間，包括制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遲滯時(shí)間和制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間，一般為0.2～0.9s。是制動(dòng)力達(dá)到最大之后穩(wěn)定維持的時(shí)間，這段時(shí)間可由程序控制。駕駛員松開踏板后，制動(dòng)器制動(dòng)力的消除還需要一段時(shí)間，記為。</p>&l

100、t;p>　　圖5-1制動(dòng)變化曲線[16]</p><p><b>　　5.2 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　5.2.1 靜態(tài)調(diào)試</p><p>　　當(dāng)完成繪圖制版工作并且拿到印刷電路板，準(zhǔn)備焊接元器件及元器件管腳座之前，應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，主要應(yīng)做好以下的工作：</p><p>　　在未焊上各元器件及元器件

101、管腳座之前，首先用眼睛或用萬(wàn)用表直接檢查線路板各處是否有明顯的斷路、短路的地方，尤其要注意電源是否短路。元器件在焊接過(guò)程中要逐一檢查，例如二極管、三極管、電解電容的極性，電容的容量及耐壓，元件的數(shù)值是否正確等等。</p><p>　　元件及管座焊接完畢，還要仔細(xì)檢查元件面及各元件之間裸露部分有無(wú)相互接觸現(xiàn)象，焊接面的各焊點(diǎn)間、焊點(diǎn)與近鄰線有無(wú)連接，對(duì)布線較密或未加阻焊處理的印刷板更應(yīng)注意檢查這些可能造成短路的原因

102、。</p><p>　　完成上述檢查后，先空載（不插芯片）上電，檢查電路板各管腳及各插座引腳的電位是否正常，特別是各點(diǎn)電位（若有高壓，聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)會(huì)通過(guò)仿真線進(jìn)入仿真系統(tǒng)，可能損壞仿真系統(tǒng)）。若一切正常，將芯片插入各管座，再通電檢查各點(diǎn)電位是否達(dá)到要求，邏輯電平是否符合電路或器件的邏輯關(guān)系。若有問題，掉電后再認(rèn)真檢查故障原因。</p><p>　　5.2.2聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試</p>

103、<p>　　聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試的方案是：把整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)按其功能分為若干模塊，運(yùn)行本測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序，并借助于萬(wàn)用表、示波器、邏輯筆等儀器來(lái)檢查硬件電路的正確性。軟件調(diào)試不但可以完善系統(tǒng)功能，也是查找硬件故障的直接有效手段。</p><p>　　在軟件調(diào)試過(guò)程中，除了對(duì)于語(yǔ)法錯(cuò)誤的檢查外，重點(diǎn)要檢查程序中使用的跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句是否會(huì)造成死循環(huán)或出現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)出錯(cuò)，檢查程序各種檢測(cè)項(xiàng)目得邏輯是否符合程序流程的要求等。

104、</p><p>　　5.3 系統(tǒng)標(biāo)定</p><p>　　5.3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)</p><p>　　系統(tǒng)標(biāo)定是確保系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。標(biāo)定的方法是對(duì)確定量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)各種調(diào)節(jié)手段（包括軟件和硬件），達(dá)到顯示值與實(shí)際值之間的偏差符合精度要求的目的。</p><p>　　目前對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，一般采用杠桿標(biāo)定法或傳感器式標(biāo)定法

105、，進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，本系統(tǒng)采用杠桿標(biāo)定法。</p><p>　　杠桿標(biāo)定裝置安裝在試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)滾筒上，利用杠桿機(jī)構(gòu)對(duì)滾筒產(chǎn)生相當(dāng)于制動(dòng)力的力矩，如圖5-2所示。其標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)力值可按下式計(jì)算：</p><p><b>　　(5-1)</b></p><p>　　式中 ––– 制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值，單位daN；</p><p>　　m

106、––– 標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量，kg；</p><p>　　g ––– 重力加速度，；</p><p>　　L ––– 杠桿臂長(zhǎng)度，mm；</p><p>　　R ––– 滾筒半徑，mm。</p><p>　　圖5-2 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定示意圖</p><p>　　本系統(tǒng)中L=1.4m，R=75mm 。則式(5-1)簡(jiǎn)化為：

107、</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　按照J(rèn)JG906-2007《滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢定規(guī)程》，在制動(dòng)臺(tái)額定載荷的4%，25%，100%預(yù)選測(cè)試點(diǎn)，本文除上述3個(gè)點(diǎn)外再取制動(dòng)臺(tái)載荷的10%，15%，25%，35%，60%，75%作為測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)各點(diǎn)按式(5-2) 計(jì)算應(yīng)加的砝碼質(zhì)量。各點(diǎn)采集到的數(shù)字量如表5-1所示?？梢姡瑐鞲衅鬏敵龌?/p>

108、本呈線性，與預(yù)期效果相符。</p><p><b>　　表5-1采集的數(shù)據(jù)</b></p><p>　　5.3.2制動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)處理</p><p>　　由于制動(dòng)臺(tái)需要強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)滾筒，加之機(jī)械結(jié)構(gòu)上的因素，振動(dòng)和沖擊較多，脈沖干擾由為嚴(yán)重。因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了FIR低通濾波器，并且采用三次樣條函數(shù)作為擬合函數(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行處理。</p>

109、<p><b>　　一、數(shù)據(jù)曲線</b></p><p>　　通過(guò)前面章節(jié)對(duì)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和三次樣條函數(shù)作為擬合函數(shù)的介紹，并且在實(shí)踐中的應(yīng)用，得到了比較理想的測(cè)試結(jié)果。圖5-3就是一次測(cè)試過(guò)程的制動(dòng)力曲線，與理論曲線比較接近[14]。</p><p>　　圖5-3 實(shí)際獲得的制動(dòng)力曲線</p><p><b>　　二

110、、零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)</b></p><p>　　制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的零點(diǎn)示值標(biāo)定直接影響車輪阻滯力的檢測(cè)精度。檢測(cè)站裝備的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，其多數(shù)只能顯示正值，沒有負(fù)值顯示行程。在這些設(shè)備零點(diǎn)示值調(diào)校時(shí)，有可能發(fā)生負(fù)值誤差被淹沒，致使試驗(yàn)臺(tái)儀表顯示為零時(shí)，實(shí)際并非為零，而是一個(gè)負(fù)數(shù)。其表現(xiàn)為兩車輪阻滯力和常常低于3%軸載質(zhì)量的重力值。為提高檢測(cè)可靠性，檢定標(biāo)準(zhǔn)修改為：零點(diǎn)示值誤差為某一指定較小正數(shù)范圍（例：10～30）

111、，有效地控制阻滯力的檢測(cè)準(zhǔn)確度。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文研究的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)與機(jī)、電等技術(shù)相結(jié)合的檢測(cè)設(shè)備。檢測(cè)系統(tǒng)從整體能量角度出發(fā)，得出左右車輪制動(dòng)力、制動(dòng)力矩、阻滯力等性能參數(shù)。檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控過(guò)程可歸結(jié)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)性、綜合控制能力、可靠性、可維護(hù)性及環(huán)境適應(yīng)性是對(duì)控制

112、系統(tǒng)的基本要求。</p><p>　　根據(jù)這些要求本設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分。第一部分是試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目的要求和相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定了整個(gè)的測(cè)量參量。根據(jù)參量的要求設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，介紹了各個(gè)部分的工作原理。第二部分討論了本系統(tǒng)中干擾信號(hào)的排除、抑制以及數(shù)據(jù)處理方法。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力出發(fā)，從硬件角度介紹了干擾信號(hào)的抑制和排除的若干途徑。對(duì)系統(tǒng)的各部分硬件組成環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的研

113、究，完成硬件的可靠性設(shè)計(jì)。從軟件角度采用曲線擬合技術(shù)和數(shù)字濾波。第三部分調(diào)試部分，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)證明軟、硬件設(shè)計(jì)是正確的，抗干擾措施是有力的，數(shù)字濾波方法是有效的。</p><p>　　歸納起來(lái)，本文的主要工作如下：</p><p>　　一、介紹了研制汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)的意義；介紹了制動(dòng)力檢測(cè)指標(biāo)體系； </p><p>　　二、對(duì)汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件、軟件