基于單片機技術的汽車底盤測功機試驗臺檢測系統設計與應用

葉青艷

(煙臺汽車工程職業學院 汽車工程系， 煙臺 265500)

0 引言

作為汽車的核心部分，底盤系統由懸架、轉向和制動等構成，在汽車性能的改善上具有重要作用，可以保證操縱的穩定和汽車的安全等，可改善汽車相應方面的性能。但各子系統間存在耦合作用，這就為優化控制底盤集成系統帶來了挑戰，對各子系統間的功能區別的識別，完成各自功能的分配，并且保證控制系統設計的協調，使底盤全局控制系統性能最優，是現階段研究的熱點[1]。

1 需求分析及工作原理概述

1.1 需求分析

室內臺架檢測設備之一便是汽車底盤測功機，底盤測功機功能較多，可檢測汽車的動力性，對多工況排放指標及油耗進行測量，易于完成汽車加載調試過程，對汽車在負載條件下發生的故障進行及時檢測等，只有當底盤測功機能真實的模擬出汽車的道路行駛阻力，才能保證各測試結果的準確、可靠，目前國產汽車底盤測功機模擬汽車的加速阻力的方法通常使用慣性飛輪組來實現，汽車加速阻力的模擬，以不同的車型為依據，通過電磁離合器實現對不同飛輪的組合的控制，汽車其它行駛阻力的模擬過程則通過采用水力測功器或電渦流測功器來完成。

1.2 工作原理

汽車底盤測功機以具備高性能的工業控制計算機作為技術支撐，由計算機、打印機，輸入/輸出端子板、可控硅及其控制電路、總線接口卡組成整個測控系統，整個測功機的構成則是在測控系統基礎上組合測功機的機械部分，通過臺架上的氣動舉升機、壓力與速度傳感器和電渦流機等裝置，測控系統實現對底盤測功機的控制過程。本文汽車底盤測功機試驗臺檢測系統設計對象為BY-CG-300型汽車。

計算機和測量控制通道的連接通過使用總線接口卡實現，此外總線接口卡還能對多個執行機構的動作進行控制，可以測量開關量信號，放大現場模擬信號以及轉換模數也由其完成，用于測量頻率的計數器接口也由其實現。滾筒轉動在臺架上由汽車驅動輪帶動完成，然后經光電解碼器產生脈沖輸出，計數器(接入多功能卡)完成對速度和行駛距離的測量，行駛在臺架上的汽車在電渦流機的作用下，對滾筒的作用力，汽車驅動能將其耦合在壓力傳感器上， 信號通過輸入通道被傳送給計算機，結合速度信號完成對汽車動力性能的測量。在實際測量過程中，需提前對速度進行設定，然后將實際測量的速度信號與其比較，根據偏差，阻力(電渦流機勵磁電流)需按一定的算法進行調整，從而穩定車速在給定值，保證在恒速條件下完成各數據的測量工作[2]。

根據具體試驗車的車速以及實際測量得到的驅動力，驅動車輪的輸出功率的具體計算公式：

其中驅動車輪的驅動力用Ft表示，驅動車輪的輸出功率用Pk表示，試驗車速(km/h)用Ua表示。

2 數據采集

底盤測功機試驗臺重點監測對象是驅動力和車速，本文對驅動力的數據采集和車速的數據采集進行說明。

2.1 測量驅動力

在底盤測功機試驗臺上，將電阻(康銅箔式)應變片貼在測力杠桿上，應變片在檢測制動時，會發生變形使電阻絲伸長，進而增大電阻，電阻變化量ΔR=Kε，應變片的靈敏度系數用K表示，受到作用力后的應變片發生的應變用ε表示，本文將應變片接成電橋具體如圖1所示[3]。

圖1 檢測電橋

檢測電橋中，Rw代表調零電位計，Ra和Rc、Rb和Rd分別表示工作臂、補償臂，補償臂的電阻不變化不對應變做出具體感知；由接在應變片上的工作臂實現對應變及其電阻變化情況的感知過程。穩壓電源Us連接電橋a、c端，則b、d端的輸出電壓用U0表示，U0具體計算公式如下：

其中檢測時的作用力(即車輪軸荷或車輪驅動力)由T表示，檢測電橋輸出電壓U0隨著作用力的增加而增大(即成正比)，C表示應變量。在工控機上加裝一塊DAS卡(PLC-818)，該卡具備多功能，具體組成如圖2所示。

DAS卡在模擬量輸入的設計上包括十六路單端或八路差分，輸入通道增益可編程，A/D的轉換時間為25微秒，具備12 bit的分辨率，0.01%的精度，為了能在軟件控制期間代替多路開關的切換，設計了一個自動通道/增益掃描電路。 各通道不同的增益的存儲由卡上的SRAM完成，這種組合方式能實現多種功能，可對各通道使用不同的增益，多通道高速采樣通過DMA數據傳輸的使用來完成(速度可達到100 ks/s)。 與此同時該卡還完成了十六個數字量輸入/輸出端口的設計。測量電橋的檢測電壓(U0)通過接口(MUX十六路單端或八路差分)輸入多功能 DAS 卡后，即可實現轉換模擬檢測電壓為數字信號[4]。

圖2 模數轉換與數據采集卡結構原理圖

2.2 測量車速

試驗車速通過光電編碼器(由光源、光柵盤和光敏管組成)測量，在滾筒軸上安裝光柵盤，在滾筒上滾動的汽車車輪會帶動滾筒與光柵盤同步旋轉，使光源處于連續發光狀態，光束通過光柵上的小孔照到光敏管上，激發相應電脈沖信號的產生，電脈沖信號經放大、整形處理后成矩形波，計算機接收到此信號后，就可以完成車速Ua的計算，具體計算公式如下。

Ua=0.377nr，其中車速(單位km/h)由Ua表示，滾筒轉速(單位r/min)由n表示，滾筒半徑由r(單位m)表示[5]。

3 試驗臺檢測系統設計的實現

3.1 單片機與上位機間通信的實現

試驗臺中的微處理控制器選用89C52單片機，該單片機的指令與引導易于同其他系列產品(如MCS-51)相兼容，在A/D轉換電路的作用下，結合信號處理電路，可完成采樣傳感器信號并將數據傳送給上位機，單片機與上位機間的通信原理，上位機與單片機間的點對點數據傳送功能需通過RS232串口完成，根據IEEE RS232的規定標準，采用+12伏的電平，和單片機串行口的電平(TTL)不相符，為解決此問題，本系統電平轉換的過程由MAX232(集成電路轉換芯片)完成，通過程序對底盤測功機傳感器的檢測，實現對采樣開始時間的控制，采樣過程的頻率為50赫茲，當待測汽車的速度穩定在檢測速度(已設定)下時間持續15秒后，底盤測功機輸出功率應在全部采樣點中甄別并顯示。上位機與單片機間的主程序具體流程如圖3所示。

通過收發數據顯示緩存區，單片機完成初始化，分別對串行口控制寄存器和電源控制寄存器進行設置，定時器初始化后上位機檢測數據，完成數據接收及顯示；根據按鍵的存在與否，選擇將數據按鍵碼發送或按數據隊列發送，循環進行完成數據通信的采集[6]。

圖3 通信主程序流程圖

3.2 底盤檢測程序的設計

上傳采樣數據至上位機后，首先對串行通信的控件屬性進行設置(在Visual Basic環境下)，具體步驟為：串行通信的通道需通過定位布置于窗體上的MSComm 控件實現，在屬 性窗口中，設置RTHreshold屬性為 1 ，修改CommPort屬性值為2，外界任何字符串的傳送都會引發事件，實現上位機與單片機(AT89C52)間的數據傳輸。為準確評價汽車制動性能，根據底盤測功檢測過程(自檢、調零、校正、測量)的特點，需要測量軟件的自容錯功能，包括設備出現硬件故障或人為干擾時的測量。上位機檢測程序的具體流程如圖4所示[7]。

圖4 底盤測功檢測程序流程圖

在Visual Basic環境下，通過WinSock 控件的調用，可以實現上位機與其它系統間的聯網。WinSock控件可通過用戶數據報協議或數據傳輸協議，完成與遠程上位機的連接及數據的交換，使用該控件時需確定具體使用協議，在源程序中設置如下代碼，然后進入操作系統的控制面板完成所需設置。

Winsock1．Protocol=sckUDPProtocol or Winsock1．Protocol=sckTCPProtocol

4 試驗與誤差分析

通過檢測底盤測功機試驗臺檢測系統(BY-CG-300)，底盤測功機的參數為：217毫米的滾筒直徑，前后滾筒中心距為436毫米 ，輸出功率最大為160千瓦。一共完成了五次底盤輸出功率測量，測量結果為27.4 kW、27.3 kW、27.1 kW、26.9 kW、26.8 kW，計算可知五次測試結果的偏差為1.1%，能夠滿足底盤測功機試驗臺檢測系統的相關標準，表明本文基于單片機技術的汽車底盤測功機試驗臺測試系統的設計實用性較高，在實際使用中，該系統可快速、準確的完成對汽車底盤輸出功率的檢測，具有良好的社會效益和經濟效益，具有很好的推廣價值。

5 總結

本文完成了基于單片機技術的汽車(BY-CG-300 型)底盤測功機試驗臺檢測系統的設計，主要介紹了底盤測功機試驗臺的具體工作原理，并系統論述上位機與試驗臺間的數據采集和數據通信過程等方面，在Visual Basic環境下，實現上位機與單片機間的數據傳輸，完成了對底盤輸出功率的檢測，升級改造了檢測系統，實際檢測結果表明本設計方案實用性較高，可滿足汽車檢測任務的要求。