（农业电气化与自动化专业论文）基于虚拟仪器的智能化机动车综合性能检测系统的研究.pdf

f 1 1 围农业大学坝十论文 中文摘要 摘要 对机动车进行动力性及经济性能检测是保证其系统稳定性、可靠 性及安仝性的乖要一步，是车辆出厂前及保持平时良好运营状态的重 要举措。本文所研究的是一种基于虚拟仪器的便携式智能测试仪器系 统。目前浚类测试仪器属微控制器加数码碌示方式，功能较弱，数据 处理能力差，编程复杂，系统功能不易扩充，用户操作界面不够友好。 因此，借助于笔记本电脑强大的数据存储及处理能力，研制一种功能 更强、可靠性更好、精度更高、编程简单方便、功能容易扩充的智能 化车辆综合性能检测系统是十分必要的。本系统是以上位机( 笔记本 电脑) 和下位机( m sp 43o 微控制器) 为核心，配以多路传感器，通过 信号采集， 由测试软件进行控制的机动车综合性能检测系统。能够对 机动车的各项动力性、经济性指标进行测试，并给出具体的测试数据。 为提高测试精度，本系统采用r 南课题组成员白行研制的变中频非接 触式测速传感器及采用格雷码编码的油耗传感器。在信号处理方面， 采用了相应的数字滤波技术和回归处理技术，以提高系统的抗干扰性、 稳定性和准确性。 关键词：性能检测：信号采集：数据处理；测试软件 中国农业人学硕士论文 薨文摘要 a b s t r a c t t h ed e t e c t i o no fm o t ij i t ya 1 1 de c o n o m ic aje f f i e i er lc yo fm o t orv e h i c ie sis a ni m p or t a n ts t e pt oe ns u r es t a b i l i t y ，d e p e n d a b il i t ya n dsecur i t y 1 tisa 1s o t h em os ti m p o r t a n tm e a s ur eo fk e e p i n gg o o dw o r k i n gp er f o r m a n c eb e f o r ea n d a f t e rl e a v i n gt h ef ac t o r y i nt h isa r t i cl ew ef o e usond e v e l o p i n gak i l 3 do f p o r t a b l ei n t el i i g e n td e t e c t i n gs y s t e i i lb as e do nv ir t u a li ns tr u m e n t a tpr es e n t ， t h ed e t e c t i o ni ns t r b m e n tso ft h isk i n dar e m a i l l l ym a d eo fm i c r oc o n tr 0 1 1 er w i t hl e dd is p l a y p a ne i ，w i t hp o o rf u n c t i o i l a l i t y w e a kp o w e ro f d a t a pr o c es s i n g ，m o r ee o m p l e x i t y o fpr o gr a m m i “g ，i es s s c a l a b i l i t y o fs ys t e m f u n c t i o n $ a n d1es sf r ie n d s h i po ft h eu s eri o t e r f a c e s o i tisv er yn e e ess a r yt o d e v el o pak i n do fm o r ep o w er f u l g e n e r a i - p u r p os ei n t el 1 i g e n tm o t orve h i cl e d e t e e t i n gs y s t e m ，w i t hh i g hd e p e n d a b i i i t y ，pr e c is i o n ，pr o g r a m m a b i i i t ya n d m o r ee x t e n d i b il i t y t h ek e r n e l c o m p o n e n to ft h i s s ys t e misac o m b i n a t i o i 1o f t h es u p r ae o m p u t e r ( an o t e p a dc o m p u t e r ) a n dt he i n f r ac o m p u t e l - ( m s p43 0 m c u ) w i t ht h ea ss is t a n c eso fm u l t i - w a yse ns o r sa n dd e t e c t i o ns o f t w a r e ，i t canc o ll e c td a t ao fm o t i l i t ya n de c o n o m i c ale f f i c ie n c yo fm o t orv e h ic 1es a n d g i v eo u tt h er es u i t i nf o r m so fd a t aor g r a p h i e s t oi m p r o v et h ed e t e c t i o n p r e e is i o n w ea d o p t a ni n t er m e d i a t e f r e q u e n c y v a r i a t i o n1 1 0 n e - c o n t a c t v el o c i t ycens o ra n dag r a y - e o d e do i lc o ns u m p t i o nce ns orf w h i c ht w ow e t e a ls od es i g n e da n dpr o d u c e db yo u rt e a mm e m b e r $ 、t oi m pr o v et h ea b i l i t yo f a n t i j a m m i n g ，s t a b i l i t ya n dpr e c is i o n i nd a t a pr ocess i n g ，w eu t il i z e dt h e t e c h n i q u e0 fn n m e r i cf i l t e ra n dr e g r essal g or i t h mi no u rs o f t w a r e k e yw o r ds ：p e r f o r m a n c ed e t e c t i o n ；s i g n a lc ol le c t i n g ：d a t a pr o ce ss i n g d e t ec t i o ns o f t w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 义中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中崮 农业大学或其它教育机构的学似或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：旌荐饥 时间：功。睥月f ，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中幽农q p 大学仃关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复e i j 件和磁需，允许论文被查阅和借阅，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。j 百j 意中国农业 火学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 r 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究牛签名：丧彦日 蝴：幻。睁彭月阱 导师签名：以 时f b ：陟哆年( ) 月声口 中同农业大学坝上论文 第审绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 随着汽车产、j k 和交通事业的迅速发展，车辆的技术性能和质量越来越高，对 车辆性能的检测和检测仪器的使用也越来越普及，从而对检测仪器的需求晕也越 来越人，对车辆检测信息的存储以及数据管理要求电越来越迫切。由中国围务院 发展研究中心产业经济研究部提供的一份“中国汽车市场需求预测”显示，中国已 经超过法国，在美国、日本、德国之后成为世界第四大汽车生产国。据保守估计， 中国汽车保有量将在2 0 0 5 年达到3 3 5 6 万辆，2 0 10 年达到5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年达 到13 1 0 3 万辆。机动车保有量的增加，给人们的生产和生活带来方便的同时，也 给社会带来了很多负面影响。首先是来自能源问题的挑战，2 0 0 0 年，我国机动车 消耗的石浊为6 5 6 0 万吨，约占全国总石油消费的了分之一。据预测，20 1 0 和2 0 2 0 年机动车的燃油需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年令国石油总需求的4 3 和5 7 。因此，机动车的燃油消耗量的多少直接影响着国民经济的发展，更影响 着车主的经济利益。另外，机动车保有量的增加引起的交通事故的增多也成了不 可忽视的社会安全问题。 因此，对机动车的安全性及经济性能进行定期检测，使机动车的各项性能指标 处于合格范围就显得尤其重要。现在，机动车的动力性、经济性的检测也已受到 各方面的日益重视。如我国颁布了g b 7 2 5 8 1 9 9 8 机动车运行安全技术条件，对 机动车的各项性能指标提供了进一步的标准。目前，对机动车性能的检测主要有 两种方法l ”：一种是在综合检测线上采用综合现代检测技术、电子技术、计算机 应用技术等多种学科知识的智能仪表进行检测。虽然它能榆测出机动车辆的各种 性能参数，查出可能出现故障的状况，为全而、准确评价机动车的使用性能和技 术状况提供_ 口j 靠依据。但是，机动车流动性大，这些仪器大多笨重、安装较复杂， 价格较昂贵，且场地固定，不方便携带；，j 一种是便携式检测仪器系统，例如日 本小野测器株式会杜的d f 3 l5 、l c 6 6 0 、l c 6 7 6 型测试仪、德国的p e i s e l e r e m s c h 型测试仪、r 海汽拖所的n c s 1 b 型测试仪以及山东理工大学住此之前 研制的一系列测试仪器等。其特点是专用性强，体积小巧，价格便宜，携带和使 用方便快捷，具有较好的抗震性和抗干扰性，但缺点是山于土机大都采用单片机 系统，凼此系统资源非常有限，数据处理和存储能力差，难以实现对大量数据的 管理，难以适应新形势下对机动车性能检测仪器的要求。随着计算机技术的发展 和普及，尤其是使携式计算机的普及，虚拟仪器设汁已成为当前和今后的发展 趋贽。强大的系统资源和良好的上作界而以及巨大的存储容量和各种各样的应 用软件等，提供了极好的设计平台和环境。经过反复的调研和论证后，决定采用 中国农业大学硕士论文第一章绪论 由上下位机的结构模构成的测试系统 j 下位机按单机测试模式设计，可单独 使用也可与r 位机连机使用，从r 阿使系统既有单机测试仪器的特点，也可与便携 式计算机共同构成虚拟仪器系统”l ，从而大大扩展了系统的测试功能和使用范围。 因此奉课题要研究开发一套功能更强、精度史高、可靠性更好、编程简单方便的 智能化机动车性能检测系统。尤其是在我国加入w t o 后，汽车工业的发展，机动 车辆的增加，对其性能检测的要求越来越高，因此，本课题的研究对我国机动车 工业的发展及机动车检测行业的发展都具有重要的意义。 1 2本课题研究的国内外现状 1 2 1国外机动车检测技术发展概况 在机动车出现的早期，人们对机动车的检测和诊断，主要依靠“眼观、手摸、 鼻闻”等直观方式，手段和方法都很落后。由十检测和诊断者的实践经验、心理 状态、技术水平不同，故对同一台机动车，由不同的人检测得出的结果就不同。 这种原始的检测方法还要受到天气、时间、地理环境和路面的影响。 早在2 0 世纪5 0 年代在一些工业发达国家就形成了以故障诊断和性能调试为 主的单项检测及生产单项检测设备【”。6 0 年代初期进入我围的汽车检测试验设备 有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分 析仪等，这些都是国外早期发展的汽车检测设备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊 断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结台的光机电、理化 机电一体化的检测技术。例如：非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、 排气分析仪等都是光机电、理化机电一体化的检测设备。进入7 0 年代以来，随着 计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采集处理自动化、检测结果直接 打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。在此基础上，为了加强汽车管理，各工 业发达国家相继建立了汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。 概括地讲，工业发达国家的汽车检测在管理上已实现了“制度化”；在检测基 础技术方面已实现了“标准化”；在检测技术l 向“智能化、自动化榆测”方向发 展。 1 制度化 在德国，汽车的检测工作由交通部门统一领导，在全国各地建有由交通部门 认证的汽车检测场( 站) ，负责新车的臀记和在用车的安全检测，修理厂维修过的 汽车也要经过汽车检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合国家标准。 在日本，汽车的检测工作由运输省( 相当于交通部) 统一领导。运输省在全 国设有“国家枪牢厂”和经过批准的“民间检测场”，代替政府执行车榆工作。其 中“国家检车厂”主要负责新车登记和在用车安全检测：“民间检测场”通常设在 汽车维修厂内，纾政府批准并受政府委托对汽车进行安全检测。 2 标准化 工业发达国家的汽车检测有一整套的标准。判断受检汽车技术状况是否良好， 是以标准巾规定的数据为准则，检查结果是以数字显示，有量化指标，以避免主 观，i ：的误差。国外比较重视安全性能和排放性能的检测，如美国规定，修理过的 汽车必须经过严格的排放检测方能出厂。 除对榆测结果有严格完整的标准以外，国外对榆测设备也有标准规定1 65 ，如检 测设备的榆测性能、具体结构、检测精度等都有相应标准。对检测设备的使用周 期、技术更新等也有具体要求。 由于检测制度、技术的标准化，不仅提高了检测效率，也保证了检测质量。 3 智能化、自动化检测 随着科学技术的进步，国外汽车检测设备存智能化、自动化、精密化、综合 化方面都有新的发展，应用新技术开拓新的检测领域，研制新的检测设备。 随着电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集 处理自动化、检测结果直接打印等功能的现代综台性能检测技术与设备。例如： 国外生产的汽车制动检测仪、全自动前照灯检测仪、发动机分析仪、发动机诊断 仪、计算机四轮定位仪等检测设备，都具有较新进的全自动功能。进入8 0 年代后， 计算机技术在汽车检测技术领域的应用进一步向深度和广度发展，己出现集检测 工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的系统软件，使汽车检 测线实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错误，提高检测准确性，而且 可以把受检汽车的技术状况储存在计算机中，既可作为下次检验参考，还可供处 理交通事故参考。 1 2 2国内机动车检测技术发展概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车榆测技术i “，为满足汽车维修需要，当时 交通部主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究、开 发。7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为 国家科委的开发应用项目。山交通部主持研制丌发丁反力式汽车制动试验台、惯 性式汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台( 具有制动性检 测、底盘测功、速度测试等功能) 。进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技 术的各个领域部有了较快的发展，汽车枪测及诊断技术也随之得到快速发展，加 之我围的汽车制造、【p 和公路交通运输业发展迅猛，对汽车检测诊断技术和设备的 需求也与日俱增。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保 护等社会问题。如何保证车辆快速、经济、灵活，并尽n j 能不造成社会公害等问 题，已逐渐被提到政府有关部门的议事口程，因而促进了汽车诊断与检测技术的 中幽农、i k 大学硕上论文 第一章绪论 发艘。交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴( 轮) 重仪、速 度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等。国家在“六五”期 间重点推广了汽车检测与诊断技术。 在单台检测设备研制成功的基础卜- ，为j ，保证汽车技术状况良好，加强在用 汽车的技术管埋，充分发挥柃测设备的作用，交通部19 8 0 年开始有计划地在全国 公路运输和车辆管理系统( 交通部当时负责汽车监理) 筹建汽车检测站，检测内 容以汽车安全性检测为主。 2 0 世纪8 0 年代初，交通部在大连市建立了国内第一个汽车检测站。从工艺上 提出将各种单台检测设备安装联线，构成功能齐全的汽车检测线，其检测纲领为 3 0 0 0 0 辆次年。继火连检测站之后，作为“六五”科技项目，交通部先后要求1 0 多个省市、自治区交通厅( 局) 筹建汽车检测站的任务，8 0 年代中期，汽车监理 由公安部主管，公安部在交通部建设汽车检测站的基础上，进行了推广和发展， 形成了全国的汽车检测网。 l9 9 0 年交通部发布第13 号部令汽车运输业车辆技术管理规定和19 9 1 年 交通部发布第2 9 号部令汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法以后，全国 又掀起了建设汽车综合性能检测站的高涮。 与此同时，汽车的检测技术和设备也得到了大力发胜。2 0 世纪7 0 年代国内仪 能生产少量的简单的检测、诊断设备。目前全国生产汽车综合性能检测设备的厂 家已达6 0 多个，除交通部门外，机械、城建、高等院校等部门也进入汽车检测设 备研制、开发、生产、销售领域。我国已能自己生产全套汽车检测设备，如大型 的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬挂检验台、 制动检验台、排气分析仪、灯光检验仪等。 为了配合汽车检测工作，国内已发布实施了有关其检测的国家标准、行业标 准、计量检定规程等1 0 0 多项。从汽车综合性能检测站建站到汽车检测的具体检 测项目，都基本做到了有法可依。 1 2 3机动车检测技术的发展方向 现行机动车工业发展一日千里，新技术层出不穷，现已进入电子时代，检测 技术也出现了如下的发展新动向，主要表现在： 1 计算机技术的广泛化 早期的机动车榆测都是人= 的，人为影响因素较多，检测效率也不高。进入 9 0 年代，由微机控制的全自动检测线发展较快由于全自动检测线将全线所有设 备与计算机联机，可准确、快速地完成检测数据的采集、处理，打印结果，以及 各枪测工位自动调度指挥等功能，大大提高了l 作效率，同时消除了人为因素的 影响。利用高精度的传感器进行故障诊断的人工智能专家系统在美国福特、通用、 4 克莱斯勒等大公司设计中的研究止方兴未艾，所以汽车检测技术向电脑智能化发 展将成为必然，实用的人工智能机动车检测系统必将成为现实。 2 传感技术和显示技术应用的综合化 随着汽车、航天工业的发展，各国家的传感技术制造水平越来越高，各种规 格越来越多，测试精度和可靠性也不断提高，从而使机动车检测诊断设备有了迅 速的发展，例如在制动台方面，完全淘汰了测力弹簧一自整角机的测力显示方式， 代之以高精度的压力传搏器，输m 的信号可以用发光二极管( l e d ) 、液晶( l c d ) 以数字显示，也n 以通过一定的电路刘信号进行零点、温度、滞后及线性等误差 修正之后，用伺服电机和减速器，推动大型仪表的指针动作。这种仪表由十通用 化、标准化、清晰化程度均大大提高，必定成为今后检测设备显示方式的发展方 向。 在汽车检测线的显示技术方面，发光二极管( l e d ) 显示将由静态发展为动态点 阵，由单色发展为彩色：并且液晶( l c d ) 和c r t 彩色监视器将会在许多设备中得 到应用。以后直接用图形、数据来动态显示测量值的方式，并辅以菜单式的人机 对话系统，将是一种发展新趋势。 3 设备更新换代的加速化 随着科学技术的进步和提高，机动车检测技术也将对未来车辆的性能检测项 目逐渐增多，要求检测更完善所以，对每一台检测设备将不断提出更高的要求。 如制动力检测，不少专家学者对目前普遍使用的反力式滚筒制动试验台检测精度 提出疑问，且一些反映制动性能的重要参数( 如制动作用时间等) 不能测量。尤其 对装有a b s 防抱死制动系统的车辆和带有制动伺服比例阀车辆制动力的检测更暴 露出这种结构的制动试验台存在的问题，这就要求今后逐步开发滚筒时速5 k m 1 0 k m 的高速制动台才能解决。而近几年出现的平板式制动台模拟路面接近真实情 况，目前正逐渐被推广使用。 又如，目前使用的侧滑台通过测量前轮侧滑量( 位移) 来判断前束和前轮外倾 角的协调性，这种测量方法有很大缺陷，如左右转向轮对地面的作用力方向相同， 目人小一样，那么侧滑台上检测侧滑量一定为零，判断是合格的。其实h i 现这种 情况是十分危险的，最容易引起侧滑的。因此，应采取对左右转向轮单独测侧向 力为宜，即测力式侧滑试验台 另外，国家有关法规的调整改变也促进了检测设备的更新换代，如汽油车排 放标准要求测c o x 化物含量，所以，目前使用的c o h c 气体分析仪已经不适应 时代要求，这迫使我们要研制新的汽车排放检测仪器。 总之，随着汽车技术的发展 现有的检测设备需要不断更新， 对车辆的各种检测项目也越来越多。一方面 另一方面还要研制新的汽车排放检测仪。 4 汽车检测技术内涵向检测、诊断和预测的扩展化 中国农业大学硕十论文第岢绪论 目前，机动车检测一般只是根据一t b 检测数据判定机动车的性能合格与否， 至十故障原因往往无法予以诊断分析，这是目前检测技术的一个缺陷。随着科学 技术的发展，应用先进技术对在用车辆实行技术状况监控与预测非常必要。在汽 车检测领域，应用故障机理的解析技术确定和预测汽车技术状况的动态特性，应 用诊断参数信息的识别和传感技术，建立故障模式( 故障模式的精确度和通用性达 到实用水平) ，这些都离小丌计算机技术的“泛应用，如何充分利用计算机技术， 分析诊断参数信息，提高诊断精确度，开发预测故障专家系统，提高诊断预测水 平，使车辆保持良好的技术状况，井将检测，诊断和预测融为一体，是今后汽车 检测的发展方向。这样，将能科学地确定汽车各总成以致整车的合理剩余寿命， 对提高汽车运行的可靠性和经济性都具有十分重要的意义。汽车预测检测技术的 实用化和商品化取决于以下几个关键技术问题的发展：故障机理的解析技术，确 定技术状态变化的动态特性；诊断参数信息的识别和传感技术：顶测故障模式的 建直，模式的精确度和通用性要达到的实用水平。 5 检测设备的研制生产和管理 加人丌发新设备的力度，不断改进和增加检测设备使其更适应实际需要。 单台检测设备越来越先进，所有的传感器从机械式的变成电子式了，控制方式也 由继电器控制变成计算机控制。数据采集和数据处理必须依靠计算机，以减少人 为因素的影响。 6 检测设备小型化 现代社会，检测设备都过于笨重，而日庞大的检测线投资大，地点固定，不 利于交通事故的现场检测。在很多情况下，人们日益需求小型化的检测设备。现 阶段，小型化的检测设备还不是主流，随着社会的发展设计，在不久的将来，小 型化的检测设备将成为主流，代替现在的大型检测线。 总之，机动车检测设备l i 断向着智能化、扩展化、集成化、客观化、小型化 方向发展，这也是本研究课题所要实现的目标。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题是以计算机为核心，配以多路传感器”j ，通过接口电路组成的智能化机 动车综合性能检测系统19 ，可对各种车辆的动力性、经济性、牵引性能等进行测 试；具有数据处理、存储、显示和打印输出等功能。它集五轮仪、车用油耗、应 变仪、加速度仪、转速测量仪等多种仪器的功能于一体，除了原有仪器所具有的 一般功能即能够完成汽车滑行试验、制动试验、最低稳定车速的测定、汽车直接 档加速和连续换档加速试验、等速油耗试验、百公里油耗试验、加速油耗试验、 六工况汕耗试验以及拖拉机牵引试验外【】，还增加r 滑转率、牵引功率等项目的 测试，特别是瞬时滑转率的测试，至今还未有任何仪器可供使用，而此项性能指 6 标又足反映牵引试验的重要参数，所以，此项目的顺利完成，将填补我国在该领 域的空白。在信号处理方向，i n 于外接传感器的数量和信弓种类较多，因此在接 口技术上，采用了归一化处理技术和兼容性设计，以使仪器与各种传感器之间， 具有兼容性和瓦换性：同时也采用了相应的数字滤波技术和回归处弹技术，以提 高系统的抗干扰性、稳定性和准确性。 1 4本章小结 本章_ 芏要阐述了本课题研究的背景及其意义，论述了机动车性能检测的围内 外现状和检测技术的发展方向，并提出了本课胚研究的聿要内容。 叶1 围农业人学硕l - i = e ；c第二章 系统的整体结构及工作原理 第二章系统的整体结构及工作原理 2 1系统的整体结构 系统的整体结构由下位机和l ：位机两大部分组成j 。下位机部分主要包括各 路传感器、前端信号调理电路、下位机( m s p 4 3 0 微控制器) 及接口电路、通信 接口等【”】；上位机部分主要包括通信接口、上位机( 笔记本电脑) 等。其组成框 图如图2 1 所示【1 3 】： 日下 端位 被 传 信 机通通 上 数数结 测 感 号 及信 “ 信据据果 乍 器 调接接接 位 处 分 输 辆理 口口口 机 理析 出 电 电 路路 下位机部分 图2 1系统组成框图 上位机部分 下位机部分主要负责信号的采集、转换及发送；上位机部分则主要完成信号 的接收、数据转换、分析处理与界面编程，目标是要实现可移植性好、易于操作 与升级的软件系统 1 4 】。 1 传感器 本系统中主要采用了三种传感器：速度传感器、油量传感器、制动传感器。 速度传感器和油量传感器采用的是由课题组成员自己t i ) 制的产品，其中速度传感 器是先进的测试精度较高的变中频非接触式速度传感器，油量传感器采用的是用 二位g r a y 码编码的径向活塞式流量传感器。这两种传感器本文第三章将有较为详 细的介绍。 2 前端信号调理电路 行驶状态的机动车会产生复杂的多种频段的电磁干扰信号为了提高测试系 统的工作可靠性，对进入下位机的三路传感器信号首先进行了低通滤波和光电隔 离处理【”l ，然后再进入f 位机丰板的电平匹配电路，从而增强了系统的抗干扰能 力。因为m s p 4 3 0 的正常上作电压为1 8 v 3 6 v ，而速度传感器、油量传感器为标 r 中国农业大学碗士硷文第二章系统的整体结构及工作原理 准5 v t t l 电平，所以为实现微控制器的1 8 v 3 6 v 工作电压与标准5 v t t l 电平 的匹配，下位机丰板电路采用了7 5 h c 系列的数字逻辑电路。为了进步简化结 构提高电路连接的可靠性，电路板采用了一体化设计【i6 1 ，即将传感器接e l 、光 电耦合电路、电平匹配电路等电路全部集成在一块电路板上。由于省去了许多连 接电缆，不仅仪器结构紧凑而且减少了许多因电路连接而产生故障的可能性。 3 下位机 下位机采用了点阵式液晶汉字显示器，其工作界面方便直观，具有完整的测 试功能，可单独使用。 由于下位机可以单独使用，即不但要完成基本的测试任务而且还要实时准确 地向上位机传送采样数据研制丌发智能化程度高、功耗低、体积小、重量轻、 使用时安装方便快捷、便于携带和易十手持操作的测试仪器，对于m c u 的选型 是关键，经过综合对比，选用了美国德州仪器公司生产的高性能的超低功耗的具 有s o c ( 即节芯片系统) 特点的m s p 4 3 0 系列m c u 作为仪器的核心处理器。由 于该m c u 具有超低功耗的特性，且内部集成了大量的外围接口模块，因此对降 低仪器的功耗和缩小仪器的体积以及提高系统的整体性能都起到了重要的作用， 从而使系统下位机的主要技术指标得到了很人的提高。下位机可使用普通的可充 电电池作为机内电源，并可连续工作6 - 8 小时以上，使其具备了很好的使用方便 性。本仪器选用的是m s p 4 3 0 系列的f 12 3 微控制器。m s p 4 3 0 系列微控制器是美 国德州仪器公司在九十年代末推出的新型的具有超低功耗的1 6 位微控制器j 。 其总体性能和内部外围模块数量都大大超过了m c s 5 l 等8 位m c u 。m s p 4 3 0 采用 了v o n n e u m a n n 结构，因此，所有的内存和外设在同一个地址空间，具有先进的 系统结构和极为丰富的内部资源。除了具有足够容量的程序存贮器、数据存贮器 和信息存贮器外它的中央处理器功能十分强大，内部集成了硬件乘法器，可编 程时钟信号发生器，看门狗定时器。具有捕捉比较、脉宽调制输出功能的定时器， 串、并行输入输出模块，a d 、d a 转换模块，工作模式和电源管理模块、中断控 制器模块和温度传感器等，它的中断源数量尤其是外部中断源数量相对其它m c u 来说要多的多，其并行i o 口的每一条引脚都可产生中断，这是其它同类m c u 所 无法比拟的。m s p 4 3 0 在l m h z 主频，3 v 工作电压下全速运行时，其功耗不到4 0 0 ua 。处在待机状态时工作电流不到2 a ，并且能够由任何一个中断事件即可将 系统在6u8 时间内从各种工作模式中唤醒，而利用中断返回指令又可使系统返叫 到中断事件发生前的工作模式，即m s p 4 3 0 系列微控制器在不到6 s 的时间内， 就能从功耗小于2ua 的待机状态快速启动进入同步正常工作状态。m s p 4 3 0 系列 m c u 的这种超低功耗特性和快速启动功能使得系统能够在同样的电源供应下，提 供更长的工作时间。这对于研制电池供电的便携式仪器来说具有极大的优势。 m s p 4 3 0 系列微控制器的丰要内部结构如图2 - 2 所示： 9 叶1 围农、凡学硕士论文第一i 系统的整体结构及工作原理 i i 图2 - 2m s p 4 3 0 内部结构图 由于选用了集成度很高的具有s o c 特点的m s p 4 3 0 系列微控制器，使测试仪 的整个电路结构变得非常简单。因此主电路板采用了一体化设计【l8 1 ，即将键盘接 口、显示器接口、传感器信号转换及处理和光电耦合电路，以及电压变换器等电 路全部集成在一块主电路板l 。省去了采用多板结构设计时板间相互连接的电缆， 不仅仪器结构紧凑而且大大提高了系统的可靠性。采用了这种简单紧凑的结构设 计不仅使得仪器的可靠性大大增加，而且还降低了主机成本，减小了主机的体积， 这对于仪器开发后期的推“应用起到了积极的促进作用。本仪器的显示部分采用 的是8 0 16 0 点阵中文液晶显示器。这种显示器可以实现汉字、a s c i i 码、点阵 图形和变化曲线的同屏显示，故可显示的用户信息大大增加。实现了人机对话功 能，使得传统仪器中的大量功能改为由软件实现，不但大大简化了仪器的硬件电 路，提高丁可靠性降低了成本，同时也充分简化了仪器使用时的操作，使仪器的 使用操作更加简单、直观和明了。 4 通信接口 下位机与 位机南于相距很近( 小于15 m ) ，因此二者之间的通信采用r s - 2 3 2 接口标准i 】。 因为本系统巾下位机与上位机是近距离通信，所以采用了标准的三线连接的 方法，即采用连接数据发送端( 信号引脚：t x d ) 、数据接收端( 信号引脚：r x d ) 和信号地( 信号引脚：g n d ) 二条线进行通信。由于是闩己设计的通信软件，可 中国农q k 大学石贞士沦文第二章系统的整体结构及工作原理 以直接进行数据的发送利接收，不需要对信号线的状态进行判断和没置，所以4 ； 需要其他的信号线。 5 上位机 上位机采用笔记本电脯。机器具体配置较为灵活，现在市面上流行的机犁一 般都能符合要求。 2 2系统工作原理 被测车辆在行驶过程r r l 由各个传感器将采集到的车辆行驶状态信号送入相应 的信号处理电路，经过变换和滤波后变成统一的逻辑信号 2 0 1 ，然后将所有信号送 入下位机。山下位机进行顶处理后，一方面将车辆的工作状况显示在下位机的液 晶屏幕上，以供操作者监视；另一方面按约定的通讯协议格式进行数据打包，并 借助于通信线路传送给卜- 位机【2 “，上位机将接收到的这些数据进行相关处理和存 储，并将被测车辆的运行状况和相关数据根据测试需要在上位机笔记本电脑屏幕 上实时显示出来。这样测试人员就可以通过上位机的界面直接获得车辆的运行状 态数据，以便完成所需的测试工作。 2 2 1 各种信号的采集 本系统中为了完成各检测项目，需要对被检测车辆的行驶速度、油耗、制动 信号等数据进行采集，具体采集方法介绍如下： 1 速度信号的采集 速度信号的采集使用了由课题组成员自己研制的变中频非接触测速传感器， 其具体工作原理如图2 3 所不： 非接触测速传感器山透镜以及置于透镜焦点上的光电探测器件、前置放大电 路与照明灯等组成( 如图2 3 ) 2 2 】。使用时将该传感器安装在机动车车身前后或 侧面，透镜头对准用灯光照明的地面，车辆丌动时地面上的杂乱花纹便与光电探 测器产生相对运动。该探测器为两列交错排列的大面积梳状硅光二极管阵列，两 列光电器件所产生的光电流经相减后输出，于是便产生了随速度变化的电流输出 信号。该信号的基波频率正比于汽车行驶速度，并且每一周期严格对应地面上走过 的一段距离，经过带通跟踪滤波器滤波和整形等预处理后，即可得到随车速变化的 脉冲信号 23 】。 中国农业大学石贞士论文 第章系统的整体结构及上作原理 前置 梳状 照明灯 图2 - 3非接触测速传感器工作原理 2 油耗信号的采集 对油耗信号的采集本系统采用了由课题组成员自己研制开发的油耗传感器。 具体方法是用具有2 位字长的g r a yc o d e ( 格雷码) 对油耗传感器的输出信号 进行编码，再利用软件进行判别和累加，这样既保证了传感器在工作时的位置识 别，又便于提高测试分辨率和消除由于油路脉动所产生的测试误差。关于油耗传 感器的详细论述参见第3 章的3 4 。 3 制动信号的采集 制动信号的采集使用的是制动踏板传感器。 2 2 2信号调理电路简介 在车辆性能测试中所使用的传感器其输出信号一般来说种类小同，有脉冲的、 电平的、模拟的和数字的等。为使仪器和传感器之洲具有较好的互换性和兼容性， 在研制过程t 巾对所有传感器信号都进行了归一化处理1 ，即先将传感器信号转换 成统一的规则的脉冲信号，再经光电隔离后与可编程接口电路连接。 2 2 3下位机软件简介 下位机系统软件主要完成将传感器采集的信号进行转换，按照约定的数据通 信格式向上位机发送数据12 5 】，软件采用m s p 4 3 0 汇编语言开发，详细的描述参见 1 2 巾围农业人学硕上论义第二章系统的整体结构及t 忭原理 第4 章4 1 相关内容。 22 4下位机与上位机之间的通信模式及协议介绍 下位机与上位机之问的通信采用r s 一2 3 2 串行接口标准( 2 1 中已有介绍) 具体通信协议【“1 为：波特率为19 2 0 0 b p s ( 可以改变) ；信息格式为1 4 个字节( 具 体含义如图2 - 4 所示) ，即第1 个字节为开始标志( 取f o h ) ，最后一个字节( 第 1 4 个字节) 为结束标志( 取值为f f h ) ，第2 、3 两个字节表示速度，第4 、5 、 6 三个字节表示时间，第7 、8 、9 三个字节表示距离，第1 0 、1 1 两个字节表示 油耗，第12 个宁节为一标志，取值不同表示不同的检测项目，第13 个字节为上 下位机同步标志。 lo lll llll 图2 - 4上位机与下位机通信协议 2 2 5上位机软件简介 上位机软件采用v i s u a lc f n e t 开发，详细论述参见第4 章4 2 相关内容。 2 3本章小结 本章提出了系统的整体结构，对其中的主要组成作了简单介绍，并阐明了系 统的工作原理。 第三章系统中主要关键性技术的研究与实现 为提高系统的测试精度，本项目对传感器及信号的处理技术进行了人量的研 究，现论述如下。 3 1 非接触测速中的信号处理技术 1 接触式测速的工作原理 进入九十年代以来，国外在车辆整车性能检测技术中已普遍采用先进的非接 触测速技术，国内在这之前采用较多的是接触式测速，接触式测速的工作原理【2 7 是：在被测车身卜安装一个与地面接触的第五轮测速传感器，由于该传感器与地 面接触，所以当被测车行驶时第五轮测速传感器也跟随转动，于是传感器内部的 电磁式或光电式传感装置便输出与传感器旋转速度成正比的速度信号，将该信号 进行放大、整形和数据处理便可转换为车辆的行驶速度和距离，这就是接触式测 速的工作原理。由于该方式存在着较为明显的缺点，即当车速超过9 0 公里时，传 感器将会产生较剧烈的跳动，从而严重影响测试精度，无法用于车辆的高速性能 测试；另外，由于传感器奉身的结构和重量的原因，在用于轿车、微型车和摩托 车的性能测试时，成为了一个无形的负载，使得被测车辆的动力性受到较大的影 响，因此接触式测速的应用范围受到较多的限制。 2 非接触测速的工作原理 非接触测速的工作原理是：安装在被测车上非接触测速传感器不与地面接触， 而是依靠由传感器射向地面的灯光被地面反射后成像在该传感器内部的叉指形栅 格状的光电池上，若射向地面的光不是被地面全部吸收或全部反射( 即非接触测 速传感器不能在沙土地或有水的地面上使用) ，则经地面反射而成像在光电池卜的 杂散光根据空间滤波原理和傅立叶变换理论，便可将其转换为传感器相对地面移 动速度成正比的的电信号，这就是非接触测速原理( 我国对非接触测速技术的研 究开展于八十年代初期，由中科院上海技术物理研究所为主，于八十年代末期投 入市场，对非接触测速传感器的信号处理技术，采用的是锁相环跟踪滤波技术) 。 该项技术的突出优点是测速范围大，可达1 2 5 0 k m h ，传感器体积小、重量轻便 于携带和安装。但由于非接触测迷传感器的输出信号信噪比很低，且波形杂乱， 信号频率范围跨度大( 3 0 18 0 0 0 h z ) ，使用现场的电磁干扰又相当严重，因此实 现非接触测速的技术关键在于如何对其传感器信号进行提取和处理，并使其具有 较强的抗干扰性。对此，目内外非接触测速传感器的信号处理普遍采用的是锁相 环跟踪滤波技术。该技术的优点是抗干扰性好，距离脉冲丢失率小。缺点是输出 4 叶 国农业大学硕士论文第三章系统- - 主耍关键性技术的研究与实现 信号跳变人、存在一定的滞后和超调，目易产牛启动突变( 即当车辆山静止丌始 连续加速时，信号处理电路的输出不是从0 开始逐渐上升，叮是突然输出一个随 机速度信号，持续一段时间后才恢复正常) 。之所以会存在这些问题，主要是由于 非接触测速传感器的输出信号极其微弱，信噪比很低，放大信号的同时噪音也随 之放大。存采用锁相环跟踪滤波方式中，为避免在滤除噪音时损失有效信号而引 起距离脉冲的丢失，不得不增大锁相环p l l 中的环路滤波器l f p 的时间常数，从 而造成系统的动态跟踪响应变差，若减小l f p 的时间常数，虽然n r 提高系统的动 态响应，但又会造成距离脉冲丢失，二者很难兼顾。 3 可变中心频率有源窄带通滤波技术 为了能够彻底解决这些问题，进一步完善和提高非接触测速的技术性能。通 过大量的试验和研究后，决定采用可变中心频率有源窄带通滤波技术对其进行信 号处理，其理论依据是：具有锐截止特性的有源带通滤器的工作频带越窄则相对 抗干扰性越强。且电路本身几乎不存在滞后和超调，但由于带宽太窄，无法满足 传感器信号频带范围，因此，采用该项技术所必须要解决的问题是如何使有源窄 带通滤波器的带宽满足非接触测速传感器信号带宽的要求采用的具体方法是动 态地改变有源窄带通滤波器的中频即设法使有源带通滤波器的中心频率跟踪输 入信号的频率变化。由于车辆在运动时，车速是时间的连续函数，因此可将非接 触速度传感器信号进行预处理后作为变量，分别控制有源带通滤波器的高、低通 环路参数。而带通滤波器的中心频率取决于环路参数，所以当速度变量起控后环 路参数的变化将引起中心频率随之变化，于是就可达到动态改变窄带通滤波器的 目的，从而实现可变中心频率有源带通滤波( 电路蚓参见图3 一1 ) 。 图3 1变中频有源带通滤波电路组成图 采用该技术处理后的信号不存在任何的滞后和超调，输出信号平滑、无跳变、 无启动突变，并提高了测速的动态响应，取得了很好的处理效果。采用不同的非 1 5 中国农业大学坝士论文 第三章系统中土理关键性技术的研究与实现 接触测速传感器信弓处理技术的效果对比如图3 2 所示： t ；， v 、， 圈3 2不同信号处理方式处理效果对比图 该对比曲线是在同一台测试仪器上使用同一个非接触测速传感器在同台测 功机的转鼓上采用不同的信号处理电路所得到的的测试结果，其中上图采用的是 变中频滤波技术进行的信号处理，下图采用的是锁相环跟踪滤波技术进行的信号 处理。由图中可看出采用锁相环跟踪滤波技术处理的信号跳变较大，输出曲线不 平滑，且在进行原地肩动连续加速工况测试时，产生了较为严重的启动突变信号 ( 见图3 2 中的右下图) ，而采用变中频滤波技术则取得了很好的处理效果( 见图 3 2 中的上图) 。 3 2可编程技术、信号的归一化处理技术和兼容。| 生设计 通常车辆性能检测仪器按功能可分为两大类：即专用测试仪器和通用测试仪 器。专用测试仪器使用方便、操作简单，但功能较单一。通用测试仪器适应性强， 但 吏用和操作较复杂。在新仪器系统的开发研制中充分吸取j j 这两类仪器的长处， 并将车辆性能测试中常用的试验方式和测试规范进行抽象处弹，提炼出统一的数 学模型，对0 i 同的试验标准或规范只要改变数据模块的参数值即可。较好地解决 了用统一的程序模块处理多种试验方式和测试规范的难题，实现_ r 可编程测试 【2 ”。这对于车辆的商检部门以及维修行、l k 柬说，由丁被柃删的车辆可能来向4 i 同 的国家和地区，其测试标准或规范都会有所小同，如果测试仪器具有可编程功能 气 一匕 工_【n-，gth-r