ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)儀的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王學(xué)影,王 歡,陸 藝,郭 斌,楊維和

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310018)

ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)儀的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王學(xué)影*,王 歡,陸 藝,郭 斌,楊維和

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,杭州 310018)

針對(duì)目前ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備功耗高、成本高的問(wèn)題,研制了一套基于嵌入式技術(shù)的ABS調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)以ARM芯片Cortex-A9為控制核心;采用Linux操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái);使用軟件Qt5.3.2實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互;完成了對(duì)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量。完成了對(duì)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量。通過(guò)大量的試驗(yàn)得出該檢測(cè)系統(tǒng)的各單項(xiàng)性能測(cè)量能力指標(biāo)Cg為1.7～8.3。測(cè)量結(jié)果均大于1.67,符合JB/T10633—2006中對(duì)新設(shè)備的驗(yàn)收要求。采用嵌入式系統(tǒng),減少了檢測(cè)設(shè)備的能耗,降低了成本。

嵌入式系統(tǒng);調(diào)節(jié)器;檢測(cè);防抱死系統(tǒng);Cortex-A9芯片

汽車(chē)防抱死系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ABS)是汽車(chē)的重要組成部分,在制動(dòng)過(guò)程中可以縮短汽車(chē)的制動(dòng)距離,從而提高汽車(chē)的制動(dòng)性能。ABS調(diào)節(jié)器是ABS的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)完成指定的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)ABS的防抱死作用。目前,國(guó)外微型處理器和嵌入式技術(shù)的發(fā)展十分迅速,發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展的電磁閥性能測(cè)試也步入了微型計(jì)算機(jī)和智能化的道路,在ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的研究上也處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家的一般做法是采用電腦作為工控機(jī),使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行氣壓數(shù)據(jù)的采集[1]。整套檢測(cè)設(shè)備體積大、功耗高、成本高。而嵌入式系統(tǒng)具有體積小、運(yùn)算速度快、功耗低、可運(yùn)行操作系統(tǒng)的特點(diǎn),可以極大地降低檢測(cè)設(shè)備的成本[2]。本文在對(duì)相關(guān)領(lǐng)域分析研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了機(jī)電一體化、使用便利的嵌入式系統(tǒng)ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)系統(tǒng)[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)QC/T 1006—2015《汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(tǒng)氣壓電磁調(diào)節(jié)器技術(shù)要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求,ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性主要包括3個(gè),分別是響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性以及殘留特性。因此,對(duì)ABS調(diào)節(jié)器主要完成以下3項(xiàng)測(cè)試。

(1)響應(yīng)特性測(cè)試

如圖1所示,控制器控制被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器升壓、保壓與降壓,記錄最后一次動(dòng)作,并繪制被測(cè)閥的出氣口壓力―時(shí)間曲線。測(cè)量在升壓過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間(簡(jiǎn)稱t1)和降壓過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間(簡(jiǎn)稱t2);在壓力增加過(guò)程中,升壓起步的時(shí)候壓力信號(hào)與電信號(hào)的延遲時(shí)間(簡(jiǎn)稱t3),以及壓力降低過(guò)程中,降壓起步的時(shí)候壓力信號(hào)與電信號(hào)的延遲時(shí)間(簡(jiǎn)稱t4);測(cè)量0.2 MPa上升到0.5 MPa時(shí)壓力上升速率(簡(jiǎn)稱V1)與0.5 MPa下降到0.2 MPa時(shí)壓力下降速率(簡(jiǎn)稱V2)。

圖1 響應(yīng)特性測(cè)試參數(shù)

圖2 調(diào)節(jié)特性測(cè)試參數(shù)

(2)調(diào)節(jié)特性測(cè)試

如圖2所示,控制器控制被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器完成指定動(dòng)作,記錄被測(cè)閥的出氣口壓力―時(shí)間曲線。測(cè)量其在完成12次階梯增壓動(dòng)作的過(guò)程中第4個(gè)臺(tái)階處的壓力值(簡(jiǎn)稱p1),以及測(cè)量其在完成7次階梯減壓的過(guò)程中第2個(gè)和第3個(gè)臺(tái)階處的壓力的差值(簡(jiǎn)稱p2)、第6個(gè)和第7個(gè)臺(tái)階處的壓力的差值(簡(jiǎn)稱p3)。

(3)殘留特性測(cè)試

控制器控制被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器模擬制動(dòng)過(guò)程的指定動(dòng)作—7次階梯減壓(時(shí)間設(shè)定為500 ms),然后切斷被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器進(jìn)氣口前的壓力源,進(jìn)氣口和排氣口都不通電;測(cè)量ABS調(diào)節(jié)器30(可以根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定)秒后出氣口處的最低壓力值(簡(jiǎn)稱p4)。

1.2 ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求,設(shè)計(jì)的ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)系統(tǒng)必須具有以下功能:(1)能夠完成對(duì)被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性和殘留特性等動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試;(2)應(yīng)用軟件可以對(duì)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的計(jì)算處理,并且能夠顯示測(cè)試曲線[4]。

以上對(duì)被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試要求進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,現(xiàn)在提出以下對(duì)ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求:(1)測(cè)量氣壓范圍:0～1.0 MPa;(2)氣壓測(cè)量精度:0.25%;(3)時(shí)間測(cè)量精度:0.1 ms;(4)時(shí)間控制精度:0.1 ms;(5)壓力采樣精度為±0.15%FS。

結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求及測(cè)試要求,搭建起嵌入式ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

工作原理如下:空氣經(jīng)過(guò)氣源三聯(lián)件、調(diào)壓閥進(jìn)入測(cè)試氣路系統(tǒng),進(jìn)入系統(tǒng)后的干燥空氣最終分為2路,一路用于控制氣控閥,另一路用于ABS調(diào)節(jié)器控制口進(jìn)氣。控制器控制進(jìn)氣閥和排氣閥通、斷電,使被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器完成升壓、保壓、降壓等過(guò)程,進(jìn)而完成響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性以及殘留特性的測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,氣壓很不穩(wěn)定,有很大的波動(dòng)性,儲(chǔ)氣罐起到了緩沖和儲(chǔ)能的作用,使得氣路中的空氣穩(wěn)定的輸出。儲(chǔ)氣罐的后面接入氣控閥,對(duì)進(jìn)氣和排氣進(jìn)行控制。根據(jù)測(cè)試要求,在ABS調(diào)節(jié)器的出氣口處連接一個(gè)儲(chǔ)氣罐,傳感器接收儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓變化信號(hào)來(lái)間接反映ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性[5-9]。通過(guò)輸入控制和參數(shù)設(shè)置完成對(duì)整個(gè)ABS調(diào)節(jié)器測(cè)試系統(tǒng)的控制功能:處理器通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊完成對(duì)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)作的控制,通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)氣壓傳感器信號(hào)的采集,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和圖形顯示的功能。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由ARM處理器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電磁閥功率驅(qū)動(dòng)模塊、濾波電路、氣壓傳感器、ABS調(diào)節(jié)器以及相應(yīng)的氣路等組成,檢測(cè)系統(tǒng)硬件如圖4所示。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求,安裝的氣壓傳感器的量程0～1.0 MPa,精度可以達(dá)到0.1%FS。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)硬件圖

檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分工作原理描述如下:由基于ARM的微處理器模塊發(fā)送驅(qū)動(dòng)控制指令到ABS調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)模塊,通過(guò)ABS調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)模塊控制被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器的進(jìn)氣口和排氣口動(dòng)作,可以完成ABS調(diào)節(jié)器壓力的升高、保持和降低的過(guò)程。在功率驅(qū)動(dòng)模塊控制被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)作的過(guò)程中,啟動(dòng)高速中斷采集線程,氣壓傳感器檢測(cè)被測(cè)ABS調(diào)節(jié)器出口的壓力,并通過(guò)濾波電路傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊處理后,傳送至ARM處理器模塊,ARM處理器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算之后,最終在液晶顯示屏上顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微處理器是嵌入式系統(tǒng)最重要的部分,本文選用基于ARM結(jié)構(gòu)的Cortex-A9的高性能處理器。基于成本、通用性和可擴(kuò)展性的考慮,本文選擇Linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)基于UNIX的操作系統(tǒng),支持多用戶、多任務(wù)、多線程并且開(kāi)源。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想來(lái)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件。測(cè)試軟件完成的主要工作包括:對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置;通過(guò)I/O口對(duì)ABS調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制;啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊;對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析;計(jì)算被測(cè)特性曲線特征點(diǎn)的值;以及接收用戶測(cè)試參數(shù)、顯示實(shí)時(shí)曲線[10-11]。

ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的具體檢測(cè)流程,如圖5所示。測(cè)試軟件在完成初始化和參數(shù)設(shè)置后,依次判斷是否要進(jìn)行響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性和殘留特性的檢測(cè),測(cè)試完畢后結(jié)束整個(gè)測(cè)試過(guò)程。檢測(cè)系統(tǒng)將測(cè)試的數(shù)據(jù)繪制成曲線,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,方便ABS調(diào)節(jié)器的性能質(zhì)量分析,為ABS調(diào)節(jié)器的質(zhì)量改進(jìn)提供一個(gè)依據(jù)。

圖5 測(cè)試流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的可靠性,參照J(rèn)B/T 10633—2006《專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南》,采用測(cè)量系統(tǒng)分析(簡(jiǎn)稱MSA)中的評(píng)定方法Ⅰ對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)定[12]。利用所研制設(shè)備對(duì)威伯科ABS調(diào)節(jié)器的性能進(jìn)行測(cè)試。在常溫,800 kPa壓力的測(cè)試條件下,對(duì)同一ABS調(diào)節(jié)器測(cè)試50次。分別測(cè)試其響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性和殘留特性[13]。測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8所示。其中,橫軸表示試驗(yàn)次數(shù),縱軸為在該次實(shí)驗(yàn)下各物理量的數(shù)值。

圖6 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果

圖7 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)特性測(cè)試結(jié)果

圖8 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器殘留特性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)得值Xi計(jì)算出平均值Xg,再由Xi和Xg計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差Sg,最后由公差T和Sg計(jì)算出測(cè)量能力指數(shù)Cg,Cg能反映整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的隨機(jī)誤差影響。針對(duì)新系統(tǒng)的驗(yàn)收,要求其各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量能力指數(shù)Cg均大于1.67,方可評(píng)定該系統(tǒng)驗(yàn)收合格可投入生產(chǎn)檢測(cè)。計(jì)算公式如下所示。

(1)

(2)

(3)

式中:Xi為單次測(cè)得數(shù)據(jù);n為測(cè)量次數(shù);T為合格公差。

選取ABS調(diào)節(jié)器測(cè)試件作為測(cè)試對(duì)象來(lái)完成對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試過(guò)程。表1～表3分別是其響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性和殘留特性的單項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和ABS調(diào)節(jié)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)相比較,發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)試結(jié)果在ABS調(diào)節(jié)器允許值范圍之內(nèi)。該測(cè)試系統(tǒng)能夠完成正常的測(cè)試流程。然后分別計(jì)算其測(cè)量能力指數(shù)Cg。

表1 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器響應(yīng)特性計(jì)算結(jié)果

表2 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)特性計(jì)算結(jié)果

表3 800 kPa測(cè)試氣壓下ABS調(diào)節(jié)器殘留特性計(jì)算結(jié)果

由表1～表3計(jì)算結(jié)果可知,響應(yīng)特性、調(diào)節(jié)特性和殘留特性各測(cè)量項(xiàng)的測(cè)量能力指標(biāo)Cg均大于1.67,符合JB/T 10633—2006規(guī)定的驗(yàn)收要求。因此,該檢測(cè)設(shè)備具有良好的重復(fù)性,滿足檢測(cè)的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試需求,設(shè)計(jì)了套基于嵌入式技術(shù)的ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)的硬件以ARM芯片Cortex-A9為控制核心,軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái),使用了圖形開(kāi)發(fā)軟件Qt5.3.2實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面,完成了對(duì)ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量。通過(guò)大量的試驗(yàn)檢測(cè),ABS調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)的單項(xiàng)性能測(cè)量能力指標(biāo)Cg均符合 JB/T10633—2006中對(duì)新設(shè)備的驗(yàn)收要求。采用嵌入式系統(tǒng),使得ABS調(diào)節(jié)器檢測(cè)設(shè)備的功耗降低,降低了生產(chǎn)成本,并使得操作簡(jiǎn)單方便。

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EmbeddedSystemDesignofABSRegulatorDetector*

WANGXueying*,WANGHuan,LUYi,GUOBin,YANGWeihe

(Institute of Precision Measurement and Control,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

In view of the problem that ABS regulator detection equipment volume is high power consumption,and high cost at present,a set of ABS regulator dynamic performance testing system based on embedded technology is developed. The system is designed in modular with the ARM chip architecture A9 as the core;Embedded Linux operation system is used as the software application development platform;The powerful graphical software Qt5.3.2 realizes friendly human-computer interaction environment. The dynamic performance of the ABS regulator is measured. Through a large number of experiments,it is concluded that the performance indexCgof this system is 1.7～8.3. The measurement results are thatCgis more than 1.67 meeting the new equipment requirements of JB/T10633—2006. The adoption of the embedded system reduces the power consumption of the ABS regulator detection equipment and the cost.

embedded system;regulator;detection;ABS;Cortex-A9 chip

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.043

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省公益技術(shù)項(xiàng)目液壓制動(dòng)卡鉗綜合性能測(cè)試系統(tǒng)(2016c31G208002S);杭州市汽車(chē)零部件智能檢測(cè)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)(20151433S01)

2016-09-15修改日期2017-01-04

TP206

A

1005-9490(2017)06-1556-05

王學(xué)影(1979-),女,黑龍江大慶人,中國(guó)計(jì)量大學(xué)副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事為光電檢測(cè)技術(shù)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)方向的研究,7560731@qq.com;

王歡(1988-),男,河北滄州人,中國(guó)計(jì)量大學(xué)碩士,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、汽車(chē)零部件檢測(cè),1530094596@qq.com。