車用組合開關耐久性檢測系統設計與關鍵技術＊

唐伎玲 費樹明

（1.長春大學，長春 130022；2.長春工業大學，長春 130012）

主題詞：車用開關 耐久性 檢測系統

1 前言

車用開關的耐久性能研究，即疲勞壽命研究，是機電一體化、計算機控制技術和信息檢測技術有機結合的產物。目前，國內的開關試驗機產品普遍存在通用性差和檢測效率低的問題：車用開關規格性能大都有相應的國家標準，汽車開關功能逐漸多樣化，尤其是轉向柱組合開關種類快速變化，目前市場上的耐久性檢測試驗臺很難適應較新型組合開關的試驗要求[1]；耐久性試驗機多是單機模式，可以實現多工位的串行動作，缺少對多開關聯合動作的并行檢測能力[2]。

本文根據汽車轉向柱上的常用開關（如遠近光、霧燈、夜間行車燈、轉向燈、雨刮器開關等）的耐久性檢測需求，以實現通用性、提高檢測效率為目標，設計一款能實現旋動、撥動、抬動3種動作并行控制，并能實時顯示開關閉合狀態的車用組合開關耐久性檢測系統。

2 檢測系統的設計

車用組合開關耐久性檢測系統由檢測試驗臺和檢測控制子系統組成，如圖1所示。

檢測試驗臺采用基于ARM 處理器的閉環控制，通過電機驅動系統實現每個工位上執行機構的精確控制[3]，完成對開關進行旋動、撥動和抬動動作的并行控制，同時通過現場傳感器獲取檢測開關當前閉合狀態完成獨立檢測，且各工位可以同時對3 種類型的開關實施組合動作的檢測，進而提高系統的通用性。

檢測控制子系統采用中控機與基于ARM的分控機的雙控結構[4]。中控主機負責對測試數據的輸入及測試順序進行編排并發送給ARM處理器，同時接收ARM處理器發送的檢測開關當前閉合狀態并實時顯示，需完成人機交互模塊、數據庫和通信模塊的設計。ARM 處理器負責與中控主機通信、接收測試數據、調度試驗臺3個工位多開關并行動作，同時采集各開關當前閉合狀態發送給中控主機，需完成通信程序、驅動程序和調度程序的設計。軟件系統結構如圖2所示。

圖2 檢測控制子系統軟件結構

3 關鍵技術的研究與實現

3.1 試驗臺的機械結構設計

圖3 試驗臺三維結構示意

開關旋動機構如圖4所示。通過對遠近光燈、雨刮和間歇調整等開關的機械結構進行分析，確定支架的左右調節角度范圍為0°～120°，上下調節角度為0°～50°。機械手由一個自帶減速比為1∶60的減速機帶動定比齒側壓力傳感器控制[6]。

圖4 開關旋動機構結構示意

開關撥動機結構如圖5 所示。撥動機構主要實現針對轉向開關和雨刮器開關的前后撥動，由高精度伺服電機驅動，并通過滾珠絲杠將動力傳遞給安裝在直線導軌上的滑動底座，滑動底座移動時，帶動開關手柄實現前后撥動。直線導軌滑塊上連結板與滾珠絲杠螺母連結塊通過力傳感器相連，傳感器根據左右撥動力大小判斷轉向開關、雨刮器等通斷位置或擋位。

圖5 開關撥動機構示意

抬動機構底座連接件結構如圖6 所示。由直線電機將動力傳遞給安裝在滑動底座的撥桿，使其做直線運動，并通過撥桿上的夾緊模塊實現開關手柄的上下抬動動作。夾緊模塊安裝有力傳感器，開關通斷后通過記錄力傳感器讀數判斷開關當前閉合狀態，并與標準件數據比較判斷其品質優劣。其動作的速度、力和頻率根據開關的不同類型在系統軟件中設定。

圖6 抬動機構底座連接件結構示意

3.2 通信功能實現

3.2.1 主控機通信模塊的設計

可靠的數據通信是系統穩定運行的基礎。檢測開始前，用戶通過系統交互界面將試驗臺各工位開關的測試數據寫入數據庫，中控主機從數據庫中提取當前測試數據，通過串口發送給ARM處理器，同時通過監聽方式隨時接收ARM 處理器發送的試驗臺開關閉合狀態，并實時顯示于交互界面。為提高系統的檢測速度，選用基于Windows32 的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數編寫多線程串口通信程序，主線程負責發送數據，子線程負責接收數據。

串口通信包括簡單的查詢方式、定時方式和事件驅動方式。本文提出的檢測系統采用事件驅動方式，其具有實時、高效、靈活等優點。通信程序的具體設計流程如圖7所示。

圖7 主控機通信模塊設計流程

在整個程序中，OVERLAPPED是重要結構，用于設置異步輸入/輸出（I/O），CreatFile 函數的第6 個參數必須設置FILE_FLAG_OVERLAPPED標識，同時，串口讀、寫函數ReadFile 和WriteFile 的第5 個參數也必須指定VOERLAPPED結構，否則函數不會正確地報告I/O操作是否完成[7]。串口使用完畢后必須調用CloseHandle 函數將其關閉，否則將無法使用其他程序。

3.2.2 分控機通信程序的設計

人力資源和社會保障部推出的《2017年度人力資源和社會保障事業發展統計公報》顯示，我國參加城鎮職工養老保險的農民工人數僅占農民工總人數的21.6%，參加城鎮職工醫療保險的農民工人數占農民工總人數的21.7%，參加城鎮職工失業保險的農民工人數占農民工總人數的17%，參加城鎮職工工傷保險的農民工人數占農民工總人數的27%。目前我國失業率居高不下的形勢下，農民工失業保險參保率遠低于工傷、醫療和養老保險參保率，失業保險參保概率不足。因此，新生代農民工養失業老保險作為推進新型城鎮化重要方面，解決好這一問題體現新型城鎮化“以人為本”的發展核心。

分控機采用ARM1156T2-S 處理器，ARM11 采用ARMv6 架構并行體系結構，增強的異常和中斷處理能力使實時任務的處理更加迅速，內核含有AMBA 3.0 AXI，可對頻率和電壓變化進行控制[8]，滿足系統對車用組合開關性能檢測的并行性和實時性要求。

ARM 處理器的通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）通信方式有輪循和中斷2 種方式[9]。多工位并行測試時，為提高串口數據處理的實時性和數據傳輸的效率，采用中斷方式編寫串口通信程序，其設計方法如表1所示。

3.3 分控機的驅動程序設計

ARM 處理器通過通用輸入/輸出端口（General-Purpose Input/Output Ports，GPIO）與試驗臺的3 個工位相連，系統將測試數據從GPIO 端口輸出控制試驗臺各工位動作，同時通過GPIO 端口讀入傳感器采集的開關閉合狀態。系統采用字符驅動方式，因此需編寫字符驅動程序，主要設計過程為：

a.驅動程序與應用程序不同，沒有main 函數，使用宏module_int 將GPIO 驅動程序加入內核全局初始化函數列表，在系統初始化時完成GPIO驅動程序注冊，之后等待被應用程序調用[10]。

b.設備初始化，調用register_chrdev 函數生成字符型設備號，調用class_create 函數動態創建設備的邏輯類將其添加到內核中，使用device_create函數在linux的/dev目錄下創建設備的節點，調用raw_write函數設置GPIO各端口數據輸入、輸出方向。

c.在file_opeartions結構體中定義設備的讀（read）和寫（write）操作。

d.調用open 函數打開GPIO，調用read 和write 函數讀寫GPIO端口的數據。

表1 ARM通信程序設計

3.4 分控機的調度程序設計

分控機的ARM 處理器需要控制多個現場，負責與主控機的通信和試驗臺3個工位的控制，因此需編寫調度程序，主要設計過程為：

a.多線程的創建。利用pthread_create函數創建6個線程，分別是從UART 串口接收測試數據的schedule_reciever 函數、通過GPIO向試驗臺各工位輸出測試數據的3 個gw_out 函數、從GPIO 讀取開關閉合狀態的gw_in 函數，以及通過UART 串口向中控主機發送數據的schedule_sender函數。

b.互斥與同步控制。1個schedule_reciever和3個gw_out同時對測試數據進行讀寫操作，故設置數據緩沖區control_buffer，該數據緩沖區是臨界資源，使用了pthread_mutex_t互斥鎖信號量和sem_t信號燈信號量及相關函數來實現線程間的同步與互斥。同理，gw_in 和schedule_sender 線程同時對開關閉合狀態進行讀寫操作，設置了數據緩沖區result_buffer，也需要同步和互斥控制。

c.并行處理。為提高系統的檢測效率，試驗臺多工位采用并行控制，使用針對共享內存的多線程編程技術（Open Multiprocessing，OpenMP），通過編譯制導語句#pragma omp 來顯示并行化。OpenMP 執行模型采用Fork-Jion 形式，并行執行時，主線程和派生線程共同工作[11]。

4 試驗及結果分析

以汽車用轉向管柱上組合開關為檢測對象，共設計5組試驗，試驗臺各工位的測試數據如表2所示。

表2 試驗臺實驗測試數據

由表2 可知，試驗臺每種連續動作10 000～100 000次時，速度為每分鐘30～60 次[12]，試驗臺旋動精度在±0.5°以內，左右撥動精度在±0.08 mm 內，上下抬動精度在±0.1 mm 內，符合國家對汽車組合開關檢測設備精度的要求[13]。檢測試驗臺各工位實時檢測過程如圖8 所示，檢測結果如圖9 所示。

圖8 各工位試驗實時檢測界面

圖9 檢測結果報表

5 結束語

本文應用CAD/CAM技術和嵌入式技術完成了車用組合開，關耐久性檢測系統的硬件結構和控制軟件的設計，實現了對旋動、撥動和抬動3 種動作開關的耐久性檢測，提高了系統的通用性，系統利用基于嵌入式的Linux 多線程編程技術OpenMP 實現并行檢測控制和實時顯示測試數據，提高了檢測效率。