摘要本文主要研究内容是汽车检测线制动工位测控系统的研制。GB7258—2007《机动车运行安全技术条件》中对汽车制动系统提出了主要技术条件,规定了台式检验制动性能的检测项目及相关
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，根据检测实际环境和技术要求具体设计了系统硬件和软件。首先，在确立了对汽车制动性能参量检测及控制的总体方案后，根据各个参量的特点设计了硬件检测电路。第二部分对软、硬件的可靠性设计、抗干扰措施等方面进行了研究。第三部分研究了本系统所采用的数据处理方法。包括FIR数字滤波算法。最后一部分对制动力测控系统进行了系统调试和性能试验，用前面提到的数据处理方法处理实验数据结果达到预期要求。关键词：汽车制动性测控检测系统抗干扰数字滤波FIRABSTRACTThisthesisdesignsautomobilebrakingperformanceinspectingandcontrolsystem.Someprimarytechnicalqualificationofautomobilebrakinghasbeenbroughtforwardin
.inspectingitemandcorrelatecriterionoftableinspectionbrakingperformancehasbeenprescriptedinit.Thehardwareandsoftwarearedesignedaccordingtopracticalneed.Inordertorestrainthenoise,thedesignofhardwareanti-interferenceanddigitalfilterisnecessary.Firstly,establishingtheblueprintofautobrakingperformanceinspectingandcontrolsystemthehardwarehasbeendesignedaccordingtothecharacteristicoftheparameter.Thesecondpartisthesoftwareandhardwarereliabilityandanti-jamminghasbeenresearched.Thethirdpartisaboutdataprocessingmethodincludingdigitalfilteringarithmeticanddatasynthesizingtechnical,suchasFIRdigitalfiltering.Inthelastpart,wedidsomesystemdebugandperformancetesttobrakinginspectingsystem.Accordingtothedatagainedbyusingthetechnicalwesaidjustnow.KeyWords：automobilebrakingperformanceinspectingsystemdigitalfilteringFiniteImpulseResponseI目录第一章绪论11.1本课题研究的目的及意义11.2本课题研究的主要内容1第二章制动试验台检测系统的设计22.1检测系统结构、原理及方案22.1.1制动工作试验台的工作原理22.1.2汽车制动性能检测相关标准32.2设计方案32.3输入模块的设计42.3.1力传感器信号处理电路42.3.2速度传感器信号处理电路72.4输出模块设计112.5系统软件设计11第三章系统抗干扰设计143.1干扰的形成143.1.1干扰源143.1.2耦合方式143.2硬件抗干扰措施143.2.1供电系统的抗干扰措施143.2.2接地系统的抗干扰措施153.2.3针对电磁场耦合及辐射干扰而采取的措施153.2.4接口电路的抗干扰措施153.3用软件消除干扰的方法163.3.1软件抗干扰的提出163.3.2软件抗干扰的特点163.3.3设计合适的数字滤波程序163.3.4提高系统的容错能力163.4总结17第四章数字处理方法研究184.1曲线拟合184.1.1拟合曲线的优化算法194.1.2拟合曲线的优化算法194.1.3段拟合函数的构造204.14段拟合函数的构造204.15优化后制动力曲线214.2FIR数字滤波器的设计214.2.1FIR结构简介214.2.2窗函数的选择及程序框图22第五章系统调试235.1制动过程分析235.2系统调试235.2.1静态调试235.2.2联机仿真调试245.3系统标定245.3.1标定实验245.3.2制动台数据处理25结论26参考文献27致谢28第一章绪论1.1本课题研究的目的及意义机动车制动性能是安全检测的重点检测项目之一。据调查，在机动车发生的交通事故中由于制动不良占有很大的比重，可见机动车必须具备良好的制动性能才能保证行驶安全；同时也只有在此条件下才能提高行驶速度和运输生产率。因此我们应该高度重视机动车的制动性能，必须经常对制动系统进行检验和调整。随着电子技术和机械加工工业的发展，在传统检测方法的基础上，逐步发展成现代汽车诊断与检测技术。汽车检测通常指使用现代检测技术和设备，结合计算机、自动控制等高新技术来检测汽车技术状况，是以工程数学、故障物理、可靠性理论、电子学和电子技术、信息控制理论等为基础的一门综合性应用科学。汽车检测对于保证交通安全，加强环境保护，提高运输能力和降低生产成本都具有重要意义。因此选择汽车性能检测作为研究课题是很有现实意义的。1.2本课题研究的主要内容本文的研究工作分为三部分。第一部分是汽车制动性测控系统的设计。在确立了对汽车制动性能参量检测及控制的总体方案后，根据各个参量的特点设计了硬件检测电路，并介绍了各个部分的工作原理，最后根据检测项目和功能要求设计了软件。第二部分讨论了对系统抗干扰和滤波的问题。介绍了在线检测系统中干扰信号和噪声的排除和抑制的若干途径。提到了在本系统中如何解决系统中抗干扰和滤波方法。第三部分是系统调试部分。本文的主要工作：1、完成汽车制动性能整个检测系统硬件部分的设计。传感器信号处理电路的设计。2、完成FIR算法，设计FIR滤波器。3、对系统制动过程进行分析及调试。第二章制动试验台检测系统的设计2.1检测系统结构、原理及方案2.1.1制动工作试验台的工作原理滚筒反力式制动试验台由结构相同的左右两套车轮制动力测试单元和一套指示装置组成。每套车轮制动力测试单元由驱动装置、滚筒组、第三滚筒、测量装置等构成，其结构简图如图2-1所示。1.电动机2.减速箱3.压力传感器4.滚筒5.第三滚筒6.光电传感器7.链传动8.测量指示仪表滚筒反力式制动试验台制动力测量装置主要由测力杠杆和应变测力传感器组成。测力杠杆一端与传感器连接，另一端与减速器壳体连接。进行汽车制动力检测时，将被检汽车驶上制动试验台上，车轮置于主、从动滚筒之间，压下第三滚筒，起动电动机，经减速器、链传动和主、从动滚筒带动车轮转动。被测车轮制动时，测力杠杆与减速器壳体将一起绕主动滚筒轴线摆动，传感器将测力杠杆传来的、与制动力大小成正比的力转换成相应电信号后输送给后继处理装置。当车轮速度下降20%时，计算机发出指令使电动机停转[1].[2]。汽车制动性测量参量包括：车轮阻滞力，制动力和检测，制动力平衡检测，制动协调时间检测，驻车制动力检测。因此汽车制动性参量测量的技术指标主要是力学参量测量的技术指标。其内容如下[2]：1、制动力最大测试范围0～30000N。2、踏板力最大测试范围0～1000N。3、零值误差不超过±0.1%(FS)。4、制动力不大于4%(FS)的：不超过±0.4%。5、制动力大于4%(FS)的：不超过±5%。6、左右制动力示值间差，当制动力不大于4%(FS)时不超过5%，当制动力大于4%(FS)时不超过3%。7、自动关机时，其第三滚筒在自动关机时的线速度值应为主滚筒线速度值的70%～90%。根据所规定的技术指标，本系统制动力测量采用的力传感器为0.05级（万分之五）BHR系列悬臂梁式高精度测力传感器，量程为0～50000N，供电电压DC9V～DC15V，输出信号1.5～20mV。由此可见，传感器的选择足以满足所需的测量精度。2.1.2汽车制动性能检测相关标准GB7258—2007《机动车运行安全技术条件》中对汽车制动系统提出了主要技术条件，规定了台式检验制动性能的检测项目及相关标准。制动性能台式检验的技术要求如下：1、制动性能台式检验车轴制动力的要求见表2-1。2、制动力平衡要求在制动力增长的过程中，左、右轮制动力差与该轴左、右轮中制动力大者之比对前轴不得大于20%，对后轴不得大于24%。3、车轮阻滞力汽车和无轨电车车轮阻滞力均不得大于该轴轴荷的5%。4、制动协调时间是指从驾驶员踩下制动踏板的瞬间作为起始点，直至制动力与轴荷之比达到标准规定值的75%时为止。单车不得大于0.6s，汽车列车不得大于0.8s。表2-1台式检验制动力要求车辆类型制动力总和与整车质量的百分比%前轴制动力与轴荷的百分比%空载满载汽车、汽车列车≥60≥50≥602.2设计方案由前面介绍的汽车在制动试验台上测试制动性的原理以及制动性参量检测的技术指标可知，实时性、测量数据的准确性、控制的可靠性和强抗干扰能力是系统设计的关键[15]。本测试系统由工控机结合单片机完成数据采集和控制等功能，传感器信号经过处理后送A/D转换，向单片机传送数据，以便与PC机通信。工控机通过I/O来控制试验台的启动和停止。总体结构方案如图2-2所示。图2-2系统总体结构方案2.3输入模块的设计2.3.1力传感器信号处理电路由上面的分析可以得到力传感器信号测量的技术方案如图2-3所示。图2-3压力传感器信号处理框图[3]1、V/I电路的设计V/I转换器的一个功能是把输入的电压信号转换成与之成正比例的电流信号输出，实现电压电流变换；另一个功能是，若输入信号电压不变，则输出电流恒定，此时的V/I转换器就是一个恒流源。集成运算放大器型接地负载V/I转换器的电路，如图2-4所示。为运算放大器，一般是中功率晶体管，和为输入电阻，和为输入反馈电阻，为限流电阻，为电流反馈采样电阻，是负载电阻，为输入电压0~20，为输出电流0~20。图2-4 0~20电压转换成0~20电流的转换器该电路中采样电阻浮置而负载电阻接地。因浮置故需两个输入反馈电阻和。常规的输入反馈电阻用于电流采样。而接到的另一端用以提供被转换的电压，若不用，则和均成为采样电阻，输出电流就和有关，不是恒流源。集成运算放大器接成深反馈同相放大器，同时存在正、负两种反馈，由于改变时，点电位变化比点大，反馈的净效应仍然为负。由于运算放大器的输入阻抗很高，反馈采样电阻采到的电流信号，以电压的形式加到运算放大器的输入端，且极性与输入信号反相，所以这是一个电流并联负反馈线路。而且采样反馈的信号正是要输出的电流信号，这样输出电流具有恒流作用。能增加电流驱动，使最大输出电流不受集成运算放大器的输出电流的限制。2、I/V电路的设计RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片,用于将4~20mA输入信号转换成为0~5V输出信号,具有很高的性能价格比。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准。其总转换精度为0.1%,共模抑制比CMR达86dB,共模输入范围达±40V。RCV420无需其它外围器件辅助,就能实现诸多功能。增益、偏置和CMR无需调节,较之由分立器件设计的印制板电路,RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用。1、基本原理图2-5功能框图图2-5是RCV420的功能框图。当4~20mA电流输入对应0~5V电压输出时,要求电路的传输阻抗为:为了得到期望的输出(4mA时0V,20mA时5V),放大器的输出必须有一个偏置：输入电流信号接至+IN端还是接至-IN端取决于信号的极性,并经过中心抽头返回地端。两个匹配的75检测电阻构成对称输入,可最大程度地抑制脚的共模电压信号,消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。检测电阻将输入的电流信号经差分放大器放大,转换成一个与之成正比的电压。位于放大器反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的-1.25V偏置电压。输入电阻网络提供了很高的输入阻抗,并将共模输入电压衰减至运算放大器的共模信号容限内。图2-6是带二阶低通滤波电路的4~20mA至0~10V实际转换电路。使用过程中10、11和12脚相连,2、5和13脚相连接地,14和15脚相连接,作为0~5V电压信号的输出端。当需要调整增益时,14和15脚之间接入电位器来调整增益,但这样会减小共模抑制比,因此,正负电源脚各接一个1的退耦电容,并尽可能地靠近放大器。为避免由外部电路引入的增益和CMR误差,应按图示方法接地,并确保最小接地电阻。输入信号视其极性或接至+In脚,或接至-In脚,经中心抽头脚返回地端。图中的输入信号由+In端输入至RCV420，经过变换之后输出0~5V的电压信号。信号再次经过线性放大后输出为0~10V的要求电压信号。图2-6I/V转换电路[4]3、A/D转换接口电路的设计一般来说检测系统要根据检测精度的要求和信号变化速率选择具有合适分辨率和转换时间的A/D元件。检测标准中关于制动力检测精度规定检测允许误差为25N，本系统中制动台单边最大量程为32500N误差为25N，而1/211<25/32500<1/210，所以从分辨率的角度选取12位A/D芯片即可满足要求。制动力增长时间一般只有在一秒钟之内，而且要求准确的反映制动力曲线，这个区间至少应有几百个数据采样点，加之数字滤波的要求，则需要1000个以上的采样点，即要求转换时间不得大于0.5ms。所以从转换时间的角度应选取快速A/D芯片。根据以上分析，本系统中采用A/D1674芯片。A/D1674是美国AD公司生产的12位逐次比较式快速A/D转换器，是AD574的替代产品，是一种内部由双片双极型电路组成的28脚双列直插式的集成A/D转换器。其非线性误差小于±1/2LBS，最大转换时间10µs。A/D1674内部设有三态数据输出锁存器，因而可直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，而无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能，应用非常方便。2.3.2速度传感器信号处理电路1、速度信号测量的原因及测量原理[7]测试车轮速度是为了控制制动试验台电机的。当汽车车轮抱死时，所要测量的最大制动力已经出现，要控制试验台电机停转。制动力测试时，主、从滚筒，车轮，第三滚筒的速度变化如图2-7所示。图中、、、均为线速度。V1为主滚筒的速度，V2为车轮的速度，V3为第三滚筒速度，V4为从滚筒的速度图2-7滚筒、车轮和第三滚筒的速度变化汽车驶入制动试验台车轮置于主、从滚筒之间，同时压下第三滚筒。第三滚筒和车轮可靠接触，制动台电机启动后主滚筒带动车轮和从滚筒转动，车轮的转动方向与主滚筒的转动方向相反，第三滚筒由于和车轮可靠接触，所以车轮也会带动第三滚筒转动，第三滚筒的转动方向与车轮的转动方向相反。电机启动至主滚筒转速稳定后，汽车制动踏板未踩下时，由图2-7可知，主、从滚筒、车轮和第三滚筒的线速度应相等，即：＝＝＝(2-1)当踩下制动踏板时，主滚筒的速度由于是由驱动电机带动的，所以它的线速度不变，而车轮的线速度由于汽车制动系的作用而降低变为，同时第三滚筒的线速度变为，因为第三滚筒是由车轮带动的，所以应该有=。从汽车理论知识可知，制动时汽车的地面制动力、制动器制动力以及附着力之间存在着这样的关系：车轮还处于滚动状态时，地面制动力等于制动器制动力，且随踏板力的增长而成正比增加。但随着踏板力的增大，当地面制动力等于附着力时，车轮抱死拖滑，这时踏板力虽增加，但地面制动力不再增长，而恒等于附着力。汽车在制动试验台滚筒上制动时，当踏板力增大，使车轮与滚筒表面制动力增加到等于附着力时，车轮抱死，制动力的采集值即为此时的值。这时驱动制动试验台滚筒的电机应马上停止，才不会使轮胎剥伤。汽车制动时车轮既有滚动又有滑动，为了表明滑动的程度，即说明滑移成分的多少，通常用滑移率[3]来表示，即：S=(V－rkω)÷V×100%(2-2)式中:—滑移率；—车轮平移线速度；—车轮滚动半径；—车轮滚动角速度；在制动试验台上汽车制动滑移率可表示为：S=V'3÷V1×100%(2-3)理论证明最大制动力出现在滑移率在70%～90%之间[2]。所以要测量第三滚筒的速度来控制电机停转。第三滚筒上装有光电式速度传感器。第三滚筒每转一周，传感器输出20个脉冲。在本测控系统中驱动电机的转速为1440r/min，减速箱的转速比为22，则主滚筒的转速为：=65.45r/min(2-4)在计算上通常用转速（r/min）来表示滚筒的速度[7]，则计算停电机时的线速度比值（滑移率）可表示为：%(2-5)式中：—线速度比值—主滚筒转速（r/min）—第三滚筒转速（r/min）—主滚筒直径（mm）—第三滚筒直径（mm）本系统中，主滚筒的直径为190mm，第三滚筒的直径为60mm。则第三滚筒最大的转速为：==207r/min=3.45r/s由此可得第三滚筒最大转速时，传感器输出方波的频率为：由滑移率范围70%～90%可得传感器输出方波得频率范围为：2、速度信号测量电路设计速度传感器输出的脉冲信号，经过放大、限幅、整形后直接送到8253-5定时/计数器进行计数，最后送到工控机中。电路如图2-11所示。图2-8速度信号处理电路[5]图2-8中，第三滚筒产生的脉冲信号经放大后，被5V稳压管稳压，再经74LS32整形后直接输入至定时/计数器进行计数。本次设计采用8253-5来实现定时/计数功能。8253-5内部有三个16位减法计数器，每个计数器都有独立的输入输出控制寄存器，都有六种不同的工作方式，可由编程确定，输出与兼容[7]。图2-9 8253内部结构框图(1)8位双向三态数据总线缓冲器，用于与的总线连接，通过这个缓冲器，可向8253写方式控制字，向某计数器写初值，读某计数器的计数值。(2)读/写逻辑，由它决定三个计数器和控制字寄存器哪一个可以工作，并控制内部总线上数据传送方向。片选信号为高时读/写逻辑被禁止，但不影响计数器现行工作。(3)控制字寄存器，当地址总线最低位为11时，这个寄存器才能工作，它从数据总线缓冲器中接收控制字并寄存起来，这个寄存器中的控制字控制每一个寄存器的操作方式。(4)三个计数器完全独立，每个计数器都可对输入脉冲按二进制或二－十进制从预制数开始减1计数。8253-5定时/计数器与单片机构成的系统如下：图2-108253与单片机构成的系统框图试验台体产生的脉冲信号经过放大整形后送到8253-5的输入端，三个门控端通过一个电阻接到电源上，使之为高电平，即处于允许计数状态。三个输出端不用，为防止干扰，可通过电容接地。数据线与8031的相连，8253-5的片选信号接8031的口，接地址锁存器由8031的控制，8031和8253间的其他数据、指令往来在控制线、共同作用下完成。8253是可编程的定时器/计数器，每个计数器都有六种工作方式，每个计数器的功能选定由控制字决定，编程的控制字由通过数据口送到8253的控制字寄存器。8253的方式4为软件触发方式，当设置完初值后，计数器立即开始计数，当减1计数到0后输出端变低一个输入时钟周期，然后又恢复为高电平，计数器停止计数。计数器在方式4时是一次有效的，每一次计数都重要新设置计数初值。在这里不取8253的输出，要的是计数器的计数值，因为8253是减1计数，把计数器的计数初值设置为，定时时间内的计数值为初值与读得的终值的差。例计数器终值为，则计数值为：－＝(2-6)如果把读得的计数器终值取反则有：=(2-7)所以不必做减法，直接把读得的计数器终值取反即可[8]。2.4输出模块设计试验台滚筒的驱动是靠电机带动执行机构完成的，系统实现对交流电机的控制是一个弱电控制强电的问题。采用内部带有光电隔离的固态继电器来实现I/O输出接口，控制电机的启停。图2-14固态继电器接口电路[8]实际电路框图如图2-14所示，计算机输出的数字信号由74LS373锁存经光电隔离芯片后，进入功率驱动芯片(MC1413)，由37芯D型孔头输出开关量信号。功率输出时要求从机外提供+24V或+12V电源，开关量输出信号为共外电源方式，不是共地方式，可直接驱动继电器。通过这个接口电路实现了系统弱电对电机强电的控制，成功的实现了试验台电机启停的控制。在上图所设计的系统中，功率驱动是由MC1413芯片来实现的，标准接线方法如图2-15所示。外部需要驱动的信号由计算机输出数字信号后，经过74LS244进行接口驱动后，直接送入驱动芯片MC1413的输入端，再在MC1413的驱动下，驱动用户负载。图2-15MC1413标准接线方法MC1413是集电极开路的功放电路，将负载的一端（如继电器的输入线圈一端）接入到MC1413的接线端子上，另一端接电源的正极。当施加到MC1413的电压信号为高电平时，三极管导通，电流从电源流过用户负载，通过三极管流向地线；当施加到MC1413的电压信号为低电平时，三极管截止，在用户负载上就不能有电流流过，从而使负载不工作。2.5系统软件设计系统中的汽车到位判断是通过光电开关的电压来判断的；启动左、右电机是由系统控制I/O，然后控制固态继电器完成对强电的控制。图2-16把检测控制部分的程序编写成块，以便其他过程调用。图2-17就是全过程的程序
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。图2-16检测过程控制程序流程图2-20全过程的程序流程第三章系统抗干扰设计3.1干扰的形成形成干扰必须具备三个条件：干扰源、对干扰敏感的接收电路、干扰源到接收电路的耦合通道。图3-1干扰形成示意图3.1.1干扰源凡是能产生一定的电磁能量，而且可能影响到周围电路正常工作的物体或设备，都可以认为是电干扰源。干扰源一般可以分为三类：a、自然界的：如宇宙射线和雷电等；b、物质本身固有的：如物质本身所固有的热干扰和散粒干扰；c、人为的：主要由电气、电子设备造成。3.1.2耦合方式1、传导耦合干扰信号经导线传播进入电路，我们称为传导耦合。大容量的用电设备在启停时所产生的电压波动会从交流电源线直接影响电脑控制系统电源电压的稳定性。此外，电路中较长的信号线还可能受邻近电路或空间电磁场的影响，在导线形成干扰。2、经公共阻抗的耦合在电脑控制系统中，主计算机的I/O接口电路与各岗位的控制箱之间，为了测量和控制，需要一个电位参考点，最简单也是最常见的就是地线作为参考，由于导线存在电阻，这就形成了公共地阻抗。由于主机与各岗位电子设备相隔一定距离，因而两端的地电位不可能完全相等，即两“地”之间的电位差就会叠加到信号电压上形成干扰。3、电磁场耦合由于电路中元件与元件之间、导线与导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容，因此，某一导体上的干扰电压就会通过分布电容使其它导体上的电位受到影响，这种现象我们称为电容耦合。3.2硬件抗干扰措施硬件抗干扰主要采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制干扰。常用的隔离措施有采用A/D、D/A与单片机进行隔离以及用继电器、光电隔离器、光电隔离固态继电器(SSR)等隔离器件对开关量进行隔离[11]。3.2.1供电系统的抗干扰措施1、要求整个检测系统单独供电。2、把机房内微机系统的供电与外面控制箱和各检测仪器的供电以及其它电器三者分开供电。3、微机房内宜用稳压性能较好的参数稳压器(500VA)，最好采用不断电源(UPS)供电。而机房外的控制设备和检测仪要采用参数稳压器或普通交流稳压器(1000VA)供电。3.2.2接地系统的抗干扰措施1、接地线宜短且粗，以减少地电阻；同时把大电流电路和弱信号电路的地线分开走线。2、单点接地。即系统的地线分成三类：第一类为信号地，它包括小信号加回路、逻辑的控制电路的信号地；第二类为功率地，它包括继电器、电磁阀、大电流驱动电源等大电流、大功率电路的地；第三类为机壳地，包括设备机架、机柜、箱体结构等金属结构地。这三类分别自成系统，最后才汇集于一点并与大地相连，使整系统地处于地电位。3.2.3针对电磁场耦合及辐射干扰而采取的措施1、尽量削弱干扰信号首先对继电器、交流接触器的驱动电路采用耗能和限幅措施。其次，将所有大功率交流负载的继电器都以控制箱为单元集中在一起，并用金属盒加以屏蔽。最后，将继电器的驱动电流回路与其它的数字逻辑回路分开，使大电流在箱内自成回路。2、为切断电磁场耦合通道，所有信号线都采用屏蔽线，并将屏蔽层单端接地。在走线方面，把信号与动力线分开布设，不能把电缆线的屏蔽层当作信号线或公用线使用[17]。3.2.4接口电路的抗干扰措施1、滤波滤波器是利用电容两端的电压不能突变的特性做成的。例如，为了消除开关触点机械摩擦的抖动所造成的干扰，必须在TTL电路的开关输入回路中加入滤波环节。其电路形式如下图。图3-2滤波电路2、去耦所谓去耦，就是利用RC或RL滤波环节来消除或抑制直流电源回路因负载变化引起的干扰。下图为多级放大器回路，其中C1是电源去耦电容，RC2为级间去耦电路[11]。图3-3去耦电路3.3用软件消除干扰的方法3.3.1软件抗干扰的提出在实际应用中，由于大量干扰源的存在，虽然不足以破坏硬件，但是往往能使系统工作不稳定、数据不可靠，程序飞逸，严重时计算机控制失灵，产生事故。这些不稳定的因素常常产生于工作或者生产的全过程中。而且，这些干扰信号大多是瞬时存在，时间间隔不确定，传播途径不清楚。由于故障的特点是具有暂时性、间歇性和随机性，用纯硬件的办法较困难，使用较少。特别是计算机软件办法能更好的解决这类干扰。3.3.2软件抗干扰的特点一般在两种情况下需要用计算机软件技术去抗干扰。一种是为了提高效能、节省硬件，从而用软件去取代硬件抗干扰技术；另一种是用软件去解决硬件解决不了的问题。软件抗干扰是一种廉价、灵活、方便的方式。纯软件抗干扰不需要硬件资源，不改变硬件环境，不需要对干扰源精确定位，不需要定量分析，故实现起来灵活、方便，用于仪表及工业控制工程有很好的可靠性保证[9]。3.3.3设计合适的数字滤波程序该技术既可称硬件仿真技术，又可属时间冗余技术。它不需要硬件，靠计算机的高速、多次运算达到模拟并提高精度的目的。根据数据的性质不同，消除干扰的软件滤波的方法也不同：对温度、压力等模拟量，可采取算术平均值滤波，因其对高斯型的噪声的滤波有效；中值滤波对尖刺脉冲干扰、阶跃干扰等模拟量有效；一阶滞后滤波由于采用了递推技术，对快速的干扰源滤波有效；逻辑滤波用于开关量滤波，信号是二值状态，采用多数表决法，用逻辑与或逻辑或作滤波结果。以上各项技术在应用时可相互配合使用。在分类上还可以归并，如冗余技术归为容错技术等[10]。3.3.4提高系统的容错能力容忍错误反而能够提高可靠性的原理在于投入了更多的超过常规设计所需的外加资源开销，从而换取了常规设计达不到的可靠性。外加资源开销（冗余）包括：外加硬件（增加器件、增加线路整机或者接口），外加软件（如检错诊断程序、双工切换程序等），外加信息码（检错纠错码、奇偶校验位、抗干扰码），外加时间（重复执行指令、重复取数、重复执行程序）等。软件容错技术的主要措施是信息冗余和时间冗余。3.4总结硬件抗干扰发展的历史较长，理论和实践比较成熟，主要抗干扰技术有各种接地处理、屏蔽和隔离、滤波、去耦、旁路等。硬件抗干扰抑制和消除了大部分的干扰，但完全依靠硬件电路来消除所有的干扰是不可能的。软件抗干扰发展较晚，目前还没有形成较完善的理论。但是，利用微机的记忆、快速计算和逻辑判断功能，从软件方面进行干扰抑制和消除的研究，己逐渐受到人们重视。在实际应用中，往往结合硬件抗干扰和软件抗干扰技术，从而可以得到比较理想的抗干扰效果。第四章数字处理方法研究计算机测量用的被测信号一般都含有误差，如何将误差从被测值中去除，如何减小测量结果中的误差含量，是常见数据处理问题之一。由误差理论，按测量过程中所产生的误差性质，可将误差分为三类：系统误差、随机误差、过失误差。对汽车检测设备而言，与其它计量器具相似，其测试误差基本上由系统误差与随机误差两方面组成。既然使用计算机进行测量，应当充分发挥计算机的作用，可从软件方面采取措施来提高采集效率，改善数据处理效果。4.1曲线拟合在汽车制动性能的检测中，关键是对汽车制动时其制动力变化全过程的检测，通过对制动力变化全过程数据的采集、处理和分析，得出反映汽车制动性能指标的各项参数，最终按国家标准对汽车制动性能进行评价，进而分析判断制动系存在故障的部位。但是，在一般的汽车检测控制系统中，由于机械台架结构、传感器的非线性以及检测现场的各种干扰信号的影响等因素，导致系统采集的数据无法完全真实地反映制动力变化的过程，采集得到的制动力变化曲线出现锯齿现象，严重影响到各项指标的测试精度和评价结果的准确性。下面是在制动力检测过程中模拟信号数字化处理后得到的一组典型的试验数据,记作如表4-1所示。目前常见的一些曲线拟合方法中，对各个物理量的处理有失公平性原则，通常是在处理中确保某一个物理量的拟合误差达到“最小”，而没有考虑到其它物理量的拟合误差。数据拟合实质是数值逼近的一个分支。该设计中作为逼近工具的函数类应具有下述性质[13]：(1)函数类中的函数相对光滑；(2)易于计算机实现；(3)逼近函数对原始数据有良好的近似。表4-1数字化后制动力试验数据2.33.7556.256.558.1911.512.514151719-4025-20485200-5510-1050-80802021.522.524.1262728.53031.833343637-38551040-1558-2070-351002055253839.54244.847.248.249.15152.55457.558.76227759090074576064065059564565553068064.565.56871.372.574.576.377.58080.881.281.482.560064062066563063065057561527580-50-504.1.1拟合曲线的优化算法由于制动力数据的拟合函数类型未知，解决的办法是作出分段多项式，但这时函数的光滑性显然不良；采用样条函数拟合，理论上完全可行，但是在该设计的实际中，主要问题是某区间节点过多，曲线不理想。如果人为减少某区间节点数，那么逼近函数对原始数据的近似性将受到影响。针对这些问题，优化算法的主要思想是利用三次样条曲线重要性质中的反算拟合性质，根据给定点反求它的控制点，再依这些控制点画出三次样条曲线。该试验数据优化关键问题是如何求得这些控制点。方法是每段按其数据分布特点，构造相应段拟合函数，节点处的值作为控制点，采用符号便于同试验数据中的区别，最后对数据组采用样条函数拟合，式中的值代表整条曲线划分的段数。该设计中将制动力试验数据分为五段：，如图4-1所示。图4-1制动力试验数据样条拟合曲线4.1.2拟合曲线的优化算法由于制动力数据的拟合函数类型未知，解决的办法是作出分段多项式，但这时函数的光滑性显然不良；采用样条函数拟合，理论上完全可行，但是在该设计的实际中，主要问题是某区间节点过多，曲线不理想。如果人为减少某区间节点数，那么逼近函数对原始数据的近似性将受到影响。针对这些问题，优化算法的主要思想是利用三次样条曲线重要性质中的反算拟合性质，根据给定点反求它的控制点，再依这些控制点画出三次样条曲线。该试验数据优化关键问题是如何求得这些控制点。方法是每段按其数据分布特点，构造相应段拟合函数，节点处的值作为控制点，采用符号便于同试验数据中的区别，最后对数据组采用样条函数拟合，式中的值代表整条曲线划分的段数。该设计中将制动力试验数据分为五段：，如图4-2所示。图4-2制动力试验数据样条拟合曲线4.1.3段拟合函数的构造对于段数据，根据图4-2的曲线特征，从表4-1中取出前29组数据，根据数据分布特点，选用二次多项式作为拟合函数，通过计算机运算，最小二乘拟合多项式为：(4-1)以式(4-7)作为反算函数，表4-1中为节点，得到段控制点，见表4-2。表4-2反算出的段控制点2.33.7556.256.558.1911.512.514151719-2.1-1.8-1.5-1.1-1-0.30.21.92.64579.52021.522.524.1262728.53031.83334363710.812.914.316.9202224.827.829.534.336.641.443.938394146.549.154.64.14段拟合函数的构造根据无噪声条件下段曲线特点，采用一次最小二乘逼近。经过计算机运算一次函数拟合式为[14]：(4-2)以式(4-2)作为反算函数，得到段控制点。见表4-3。表4-3反算出的段控制点42.743.444.144.8262.4474.9687.4900其它段控制点的算法与、段算法相同，不再赘述。4.15优化后制动力曲线根据上述优化算法，最后得到所有控制点集，依这些控制点画出三次样条曲线，如图4-3所示。图4-3优化前后制动力曲线对比4.2FIR数字滤波器的设计数字滤波技术是数字信号处理中应用广泛的一种线性系统环节。相对于传统的模拟滤波器，数字滤波器有滤波精度高、稳定性高和灵活性高的优点。数字滤波器按单位脉冲响应的不同可分为无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器和有限长单位脉冲响应(FIR)滤波器。其中，FIR滤波器可以在幅度特性随意设定的情况下，保证精确严格的线性相位特性，且不存在不稳定问题。滤波是必要的抗干扰措施之一。考虑到数字滤波器的上述优越性，采用数字滤波器。4.2.1FIR结构简介当有限冲激响应(FIR)滤波器的输入为冲激序列时，其输出为有限序列，该序列称为滤波器的冲激响应。FIR的基本结构是一个分节的延时线，把每一节的输出加权累加，得到滤波器的输出。数学上表示为(4-3)、分别是输出输入序列，是滤波器的冲激响应，N是的长度。式(4-1)由于冲激响应系数h(n)具有对称特性，因此阶数为偶数时具有偶对称，即令，式(4-1)可改写为(4-4)改进后N次乘法减少为次，加法次数增加了，总的运算量得以减少。4.2.2窗函数的选择及程序框图为减小滤波器的截断效应，选择海明窗函数。窗函数法设计FIR滤波器的步骤[10]为：a、根据技术要求确定待求滤波器的理想单位取样响应；b、选择窗函数，并估计窗口长度；c、计算滤波器的单位取样响应，即系数h(i)；d、验算技术指标是否符合要求如果有必要的话，重复上述步骤b-d，可以实现滤波器。图4-4用窗函数法设计滤波器主程序框图第五章系统调试5.1制动过程分析在制动过程中，制动力变化如图5-1所示。当驾驶员听到“踩脚刹车”命令后，经时间才意识到应进行制动行为。因每个人的反应听力、动作协调快慢的不同而不同，一般为0.3～1.0s。驾驶员踏住制动踏板后，踏板力迅速增加，但由于制动器的蹄片与制动鼓之间存在间隙，要经过时间才能使汽车开始减速，不同的车辆也不相同，一般取0.1s。称为制动力协调时间，包括制动传动机构迟滞时间和制动力增长时间，一般为0.2～0.9s。是制动力达到最大之后稳定维持的时间，这段时间可由程序控制。驾驶员松开踏板后，制动器制动力的消除还需要一段时间，记为。图5-1制动变化曲线[16]5.2系统调试5.2.1静态调试当完成绘图制版工作并且拿到印刷电路板，准备焊接元器件及元器件管脚座之前，应进行静态调试，主要应做好以下的工作：在未焊上各元器件及元器件管脚座之前，首先用眼睛或用万用表直接检查线路板各处是否有明显的断路、短路的地方，尤其要注意电源是否短路。元器件在焊接过程中要逐一检查，例如二极管、三极管、电解电容的极性，电容的容量及耐压，元件的数值是否正确等等。元件及管座焊接完毕，还要仔细检查元件面及各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点与近邻线有无连接，对布线较密或未加阻焊处理的印刷板更应注意检查这些可能造成短路的原因。完成上述检查后，先空载（不插芯片）上电，检查电路板各管脚及各插座引脚的电位是否正常，特别是各点电位（若有高压，联机调试时会通过仿真线进入仿真系统，可能损坏仿真系统）。若一切正常，将芯片插入各管座，再通电检查各点电位是否达到要求，逻辑电平是否符合电路或器件的逻辑关系。若有问题，掉电后再认真检查故障原因。5.2.2联机仿真调试联机仿真调试的方案是：把整个测控系统按其功能分为若干模块，运行本测控系统的应用程序，并借助于万用表、示波器、逻辑笔等仪器来检查硬件电路的正确性。软件调试不但可以完善系统功能，也是查找硬件故障的直接有效手段。在软件调试过程中，除了对于语法错误的检查外，重点要检查程序中使用的跳转语句是否会造成死循环或出现程序跳转出错，检查程序各种检测项目得逻辑是否符合程序流程的要求等。5.3系统标定5.3.1标定实验系统标定是确保系统精度的关键。标定的方法是对确定量进行测量，通过各种调节手段（包括软件和硬件），达到显示值与实际值之间的偏差符合精度要求的目的。目前对制动试验台测量精度进行标定时，一般采用杠杆标定法或传感器式标定法，进行静态标定，本系统采用杠杆标定法。杠杆标定装置安装在试验台驱动滚筒上，利用杠杆机构对滚筒产生相当于制动力的力矩，如图5-2所示。其标准制动力值可按下式计算：(5-1)式中–––制动力标准值，单位daN；m–––标准砝码质量，kg；g–––重力加速度，；L–––杠杆臂长度，mm；R–––滚筒半径，mm。图5-2制动试验台标定示意图本系统中L=1.4m，R=75mm。则式(5-1)简化为：(5-2)按照JJG906-2007《滚筒反力式制动检验台检定
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》，在制动台额定载荷的4%，25%，100%预选测试点，本文除上述3个点外再取制动台载荷的10%，15%，25%，35%，60%，75%作为测试点。对应各点按式(5-2)计算应加的砝码质量。各点采集到的数字量如表5-1所示。可见，传感器输出基本呈线性，与预期效果相符。表5-1采集的数据测试点4％10％15％25％35％60％75％100％M(kg)69.51173.80260.70434.91608.291042.721303.481737.97(daN)130325487.5812.51137.519502437.53250数字量15140360693414162448302440955.3.2制动台数据处理由于制动台需要强电驱动滚筒，加之机械结构上的因素，振动和冲击较多，脉冲干扰由为严重。因此本系统中设计了FIR低通滤波器，并且采用三次样条函数作为拟合函数来对数据曲线进行处理。一、数据曲线通过前面章节对实现FIR滤波器和三次样条函数作为拟合函数的介绍，并且在实践中的应用，得到了比较理想的测试结果。图5-3就是一次测试过程的制动力曲线，与理论曲线比较接近[14]。图5-3实际获得的制动力曲线二、零点自动调节制动试验台的零点示值标定直接影响车轮阻滞力的检测精度。检测站装备的制动试验台，其多数只能显示正值，没有负值显示行程。在这些设备零点示值调校时，有可能发生负值误差被淹没，致使试验台仪表显示为零时，实际并非为零，而是一个负数。其表现为两车轮阻滞力和常常低于3%轴载质量的重力值。为提高检测可靠性，检定标准修改为：零点示值误差为某一指定较小正数范围（例：10～30），有效地控制阻滞力的检测准确度。结论本文研究的制动试验台数据采集、处理系统是计算机测控技术与机、电等技术相结合的检测设备。检测系统从整体能量角度出发，得出左右车轮制动力、制动力矩、阻滞力等性能参数。检测系统的测控过程可归结为实时数据采集和实时控制。实时性、综合控制能力、可靠性、可维护性及环境适应性是对控制系统的基本要求。根据这些要求本设计包括三个部分。第一部分是试验台数据采集及处理系统的设计。针对试验台项目的要求和相应的国家标准，确定了整个的测量参量。根据参量的要求设计了硬件系统，介绍了各个部分的工作原理。第二部分讨论了本系统中干扰信号的排除、抑制以及数据处理方法。从系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力出发，从硬件角度介绍了干扰信号的抑制和排除的若干途径。对系统的各部分硬件组成环节进行了深入的研究，完成硬件的可靠性设计。从软件角度采用曲线拟合技术和数字滤波。第三部分调试部分，根据测量数据证明软、硬件设计是正确的，抗干扰措施是有力的，数字滤波方法是有效的。归纳起来，本文的主要工作如下：一、介绍了研制汽车制动性能检测系统的意义；介绍了制动力检测指标体系；二、对汽车制动性能检测系统进行硬件、软件设计。1、介绍了汽车性能检测线的结构和原理以及汽车制动性能检测的具体标准，并提出总体设计方案。2、根据系统设计的参数要求进行传感器信号处理电路的设计，其中包括力传感器信号处理电路和速度信号测量电路。按照数据采集和处理的速度和精度的要求，设计了以AD1674芯片作为数据采集的核心。3、提出了一个自动检测系统。对于制动效果不合格的车辆，其故障的原因和部位可以通过系统来判断，而不是由检测人员凭借经验判断。三、从硬件和软件角度提出抗干扰的方法1、从硬件角度进行了硬件抗干扰能力设计。提出测控系统外部干扰及抑制和消除干扰信号的途径。通过设计V/I变换来传输信号大大提高了系统的可靠性。2、从误差理论的角度提出系统中存在的各种误差，并提出常用的克服随机干扰的数字滤波方法，以及曲线拟合的方法。从中选取FIR数字滤波和B样条函数拟合用于本系统中处理实际数据。3、以软件和硬件为基础，在现场进行了试验，并且对实验数据进行了分析讨论，证明了测量数据符合国家标准，达到国标要求。总之，本次设计的汽车制动试验台数据采集、处理系统具有检测精度高、可靠性好、抗干扰能力强等优点。对汽车制动性能的检测以及检测设备的发展有很重要的实用价值。参考文献徐安，轿车制动性能统计分析与改进措施[J]，汽车工程，2002.4:269-270余志生，汽车理论[M]，机械工业出版社，1995.2潘新民，王燕芳，微型计算机与传感器技术[M]，人民邮电出版社，1998清源计算机工作室,Protel99原理图[M],机械工业出版社2000张伟，ProtelDXP入门与提高[M]，人民邮电出版社，2003董渭清，王涣招，接口技术及应用[M]，西安交通大学出版社，1995何希才，传感器及其应用电路[M]，电子工业出版社，2002严钟豪，谭祖根，非电量电测技术[M]，机械工业出版社，1989沈兰荪，数据采集技术[M]，中国科技技术大学出版社，1990马明建等，数据采集与处理技术[M]，西安交通大学出版社，1998诸邦田，电子电路实用抗干扰技术[M]，人民邮电出版社，1994徐涛，数值计算方法[M]，吉林科学技术出版社，1998张韵华，奚梅成，数值计算方法和算法[M]，科学出版社，2000毛英泰，误差理论与精度分析[M]，国防出版社，1982KenJ.Whatmouth,Real-timewheelbrakeandtirelateralforcemodelsrefinedforlowspeeds[J],SAEPaper940178HenryE.Seiff,Brakedefectsinroadsideinspections[M],SAEPaper942290YukioNishizawaandHironobuSaka,Electroniccontrolconcellingsystemforadiscbrakenoise[J],SAEPaper971037致谢本文是在导师陈广秋老师的精心指导下完成的，陈广秋老师学识渊博，经验丰富，思维敏捷，时时给我热情的鼓励和不倦的教诲，在课题的研究方法和研究思想上给我诸多的启示，解答了许多难题，从课程学习、
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选题、课题研究到论文撰写无不凝聚着导师的心血和汗水。陈老师待人诚恳、心胸宽大，导师以其平凡而伟大的人格影响着我，感染着我，尤其是导师严于律己、宽以待人的崇高品质以及严谨求实的治学态度使我受益非浅，令我终生难忘。藉此论文完成之际，对导师表示深深的谢意!同时作者在课题研究中得到本专业各位同学的热心帮助和关心，在此感谢他们的帮助。并向所有在我学习和研究工作中给以帮助的同学致以深深的谢意!-28-
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