基于虛擬儀器的氣壓剎車閥測試系統(tǒng)的研究

曾學(xué)禮，段獻(xiàn)坤，魯修軍，李笑來，李文華，王慶東

(1.長城電器集團(tuán)有限公司，浙江 325603;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130;3.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 325603)

0 引言

汽車制動性能是最重要的一項技術(shù)指標(biāo)，怎樣才能精確地獲得汽車制動時的性能參數(shù)是準(zhǔn)確評價汽車制動性能的關(guān)鍵所在，而制動系統(tǒng)內(nèi)最為關(guān)鍵的核心部件是剎車閥，因此剎車閥性能測試的研究具有重要的科研意義。近年來隨著車輛擁有量的增加趨勢，各個生產(chǎn)廠商對剎車閥性能及其檢測設(shè)備提出了更多以及更高的要求。為了滿足科研、教學(xué)的需要，設(shè)計和研制剎車閥測試系統(tǒng)是一條重要途徑。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的軟件平臺，其含有種類豐富的函數(shù)庫，編程時只需調(diào)用相應(yīng)函數(shù)庫即可輕松完成程序的開發(fā)設(shè)計，同時可以方便靈活地搭建功能更為強(qiáng)大的測試系統(tǒng)，利用LabVIEW開發(fā)的剎車閥測試系統(tǒng)，較為容易地實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理過程的自動化[1]。

汽車生產(chǎn)商在針對氣壓剎車閥產(chǎn)品進(jìn)行試驗時采用傳統(tǒng)測試儀器，該測試儀器不僅操作煩瑣而且生產(chǎn)效率低下;而使用智能型、綜合型測試系統(tǒng)可以大大地簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)試驗項目的自動控制、數(shù)據(jù)的自動采集、記錄等，不但簡化了試驗人員的工作量并且有利于保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。因此開發(fā)使用自動化程度更高的測試系統(tǒng)將是同類氣壓試驗設(shè)備的發(fā)展方向[2]。

本文研制的氣壓剎車閥測試系統(tǒng)大大縮小了設(shè)備的規(guī)模，簡化了操作人員的勞動，對產(chǎn)品的試驗結(jié)果提供了可靠的保證，并且節(jié)省了費用。

1 測試系統(tǒng)工作原理

氣壓剎車閥測試系統(tǒng)為真實模擬實車制動過程完整檢測整車制動性能，設(shè)計了踏板力模擬裝置，通過力傳感器及角度傳感器可以測量施加于踏板上的力及欲剎車程度，用伺服電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)以及制動絲桿用來下壓實車制動踏板進(jìn)而模擬剎車過程。制動絲桿前端安裝壓力和角度傳感器，以檢測踏板力大小和制動踏板下壓程度。進(jìn)氣管路中接入壓力傳感器，用于監(jiān)測制動管壓，工作原理如圖1。

圖1 工作原理圖

測試控制工作時，首先由操作系統(tǒng)啟動主控程序，在其控制下分別進(jìn)行相應(yīng)的試驗測試和數(shù)據(jù)處理工作。一般工作過程是先根據(jù)實測現(xiàn)場要求和控制輸出要求進(jìn)行系統(tǒng)工況參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)工況參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品型號以文本文件形式保存在系統(tǒng)內(nèi)，試驗時只需設(shè)定產(chǎn)品型號，系統(tǒng)會根據(jù)產(chǎn)品型號自動調(diào)用系統(tǒng)工況參數(shù)。在系統(tǒng)工況設(shè)置結(jié)束后，啟動自檢工作，對所測試產(chǎn)品型號及位置擺放進(jìn)行檢查，一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)報警通知操作員人工檢查重新放置試品。

系統(tǒng)自檢正常后，測試開始進(jìn)行，首先根據(jù)欲剎車程度，系統(tǒng)計算出伺服電機(jī)給定量，進(jìn)而控制制動絲桿驅(qū)動踏板下壓，通過力及角度傳感器測量施加于踏板上的力及踏板下壓角度，踏板下壓后使進(jìn)氣閥打開產(chǎn)生制動壓力，通過制動管路內(nèi)的壓力傳感器測量出氣閥的壓力值進(jìn)而判斷試品是否合格。試驗信息的輸出和數(shù)據(jù)采集的整個過程時間短，因此設(shè)計由計算機(jī)系統(tǒng)完全自動控制。試驗結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和輸出相應(yīng)測試結(jié)果。

2 硬件設(shè)計

氣壓剎車閥按國標(biāo)“GB7258－2004機(jī)動車運行安全技術(shù)條件”和“GB12676－1999汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法”的要求進(jìn)行研制[3]。設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu):由氣源、試驗臺架、電氣系統(tǒng)3個獨立部分組成。

氣源部分采用兩體結(jié)構(gòu):氣缸、過濾器為一體，固定在試驗系統(tǒng)上;兩通電磁閥、過濾減壓閥等為另一體，接口采用浮動接頭的形式以便于連接。

試驗臺架由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、對射傳感器、臺體及夾具等組成。

電氣系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)主要采用PCL－720+數(shù)字量I/O卡和PCI－1721模擬量輸出卡，采集系統(tǒng)采用PCI－1747U數(shù)據(jù)采集卡。

PCL－720+數(shù)字量I/O卡是一款32路TTL數(shù)字量輸入、32路TTL數(shù)字量輸出卡，具有高輸出驅(qū)動能力、3個可編程計數(shù)器/定時器通道以及用于定制電路的面包板擴(kuò)展功能區(qū)域。

PCI－1721模擬量輸出卡提供4路模擬量輸出通道的高速PCI總線卡，具有5 MHz最大數(shù)字更新速率、自動校準(zhǔn)功能，每個模擬量輸出通道帶一個12位雙緩沖器DAC，帶內(nèi)部/外部觸發(fā)的實時波形輸出功能，具有靈活的輸入類型和范圍設(shè)定等。

PCI－1747U是一款高分辨率高通道計數(shù)模擬量輸入PCI總線卡，它的采樣速率可達(dá)250 kS/s，提供部分?jǐn)?shù)據(jù)采集應(yīng)用所需的16位分辨率，同時提供64路單端，32路差分模擬量輸入或組合輸入，它還帶有用于模擬量輸入數(shù)據(jù)的1 K采樣FIFO緩沖區(qū)。

PCI－1721模擬量輸出卡所提供的模擬輸出信號用來控制步進(jìn)電機(jī)，再通過減速器進(jìn)而控制踏板力的大小，面板上裝有相應(yīng)的顯示儀表和控制開關(guān)。PCL－720+數(shù)字量I/O卡控制電磁閥的開斷以及其它保護(hù)類單元的控制，同時PCI－1721模擬量輸出卡還用來控制電磁比例閥的大小進(jìn)而控制測試試品所施加壓力的大小。

采集系統(tǒng)主要采用PCI－1747U數(shù)據(jù)采集卡所提供的模擬輸入信號用來采集位移傳感器、角度傳感器、力傳感器、壓力傳感器的值。

3 軟件設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)各部分之間的信號傳遞方式

測試系統(tǒng)分成:氣源、試驗臺架、電氣系統(tǒng)三個相互獨立的部分，各部分之間需要很好地解決信號傳遞問題，信號傳遞示意圖如圖2所示，該信號傳遞方式很好地解決了信號間傳遞問題。

圖2 信號傳遞示意圖

該測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用虛擬儀器LabVIEW作為開發(fā)工具，LabVIEW是一門基于數(shù)據(jù)流技術(shù)的圖形化編程語言，其內(nèi)嵌了非常豐富的工程應(yīng)用函數(shù)，編程時只需調(diào)用其鏈接庫函數(shù)就可方便地對其調(diào)用，降低了對編程者編程經(jīng)驗和熟練程度的要求，簡化了程序的開發(fā)，特別是在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面有著其他基于過程的文本語言無可比擬的優(yōu)勢，良好運行于windows2000/xp、linux、sun和HP-UX等多種標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)平臺，在自動測量系統(tǒng)，工業(yè)自動化控制，實驗室系統(tǒng)模擬仿真方面得到十分廣泛地的應(yīng)用[4]。

通過工控機(jī)的模擬輸入板卡采集并記錄系統(tǒng)壓力值、位移值和載荷值等。通過模擬輸出板卡輸出信號控制系統(tǒng)的壓力給定以及控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，控制操縱機(jī)構(gòu)的位置變化等等。

3.2 該測試系統(tǒng)開發(fā)的軟件結(jié)構(gòu)

3.2.1 用戶交互界面

主要包括:產(chǎn)品型號設(shè)置、用戶自動/手動模式選擇、測試系統(tǒng)手動調(diào)節(jié)、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集輸出實時顯示等多個模塊。本部分主要實現(xiàn)測試系統(tǒng)與用戶的直接交流，使用戶能夠?qū)⒃囼炛械耐饨缦薅l件輸入到試驗系統(tǒng)當(dāng)中，其程序如圖3所示。

圖3 試品測試參數(shù)調(diào)用程序圖

在試驗過程中，通過報警信號指示燈和面板數(shù)值顯示及圖形用來觀察當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀況。試驗結(jié)束后，邏輯單元通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出相應(yīng)的測試結(jié)果，并通過報警信號指示燈直觀地顯示出測試結(jié)果。

3.2.2 后臺應(yīng)用程序

包含控制信號的輸出、傳感器信號采集、數(shù)據(jù)邏輯運算三個部分[5]。其中控制信號的輸出既可用來控制電磁閥模擬量進(jìn)而控制制動氣路的壓力大小，又可控制伺服電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)而控制制動力的大小;信號采集部分的功能是通過用戶界面獲得試驗時的外界條件和試驗中所測的信號，包括模擬信號采集、數(shù)字濾波和開關(guān)量采集與處理;數(shù)據(jù)邏輯運算的功能包含對試驗數(shù)據(jù)的分析與處理、試驗結(jié)果存儲等部分，其邏輯運算程序如圖4所示。

圖4 邏輯運算程序圖

3.3 測試系統(tǒng)設(shè)計方案

測試系統(tǒng)軟件的測試流程如圖5所示。系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)入系統(tǒng)主界面，進(jìn)行試品型號選擇，然后讀取測試型號試品參數(shù)，用戶通過點擊控制面板上的單擊按鈕進(jìn)行自動或手動兩種方式執(zhí)行程序。進(jìn)入自動測試程序后，首先夾緊和密封被測工件，驅(qū)動制動絲桿前進(jìn)，同時通過采集卡從傳感器采集數(shù)據(jù)，并在屏幕上動態(tài)顯示采集得到的數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線和數(shù)據(jù)值。測試完成后，根據(jù)用戶的標(biāo)準(zhǔn)值判斷試品是否合格，測試結(jié)果和特征點數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中，供用戶需要時查詢、打印;最后系統(tǒng)自動復(fù)位，等待下一個工件檢測的開始或退出測試系統(tǒng)。

4 測量數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

4.1 信號調(diào)理

工控機(jī)采集到的數(shù)字信號是通過傳感器輸出的模擬電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到工控機(jī)內(nèi)的，但是傳感器輸出的是微弱電信號，不可避免地會混入干擾噪聲。為了保證測試數(shù)據(jù)的精確可靠，在采集回路中加入了信號調(diào)理電路。濾波電路設(shè)計中，采用低通濾波器進(jìn)行濾波，有效地抑制了信號中噪聲的干擾，根據(jù)工況條件，設(shè)定截止頻率，使采集到的數(shù)據(jù)更加逼近實際信號。終端電路采用隔離變送器WS1521，使傳感器輸出的微弱電信號變送為數(shù)據(jù)采集卡能夠接受的量程范圍，進(jìn)而準(zhǔn)確可靠地送至工控機(jī)。

4.2 測量數(shù)據(jù)濾波

主要是為了剔除測量信號中的畸變點，保留正常的測量值。

采集到計算機(jī)中的實時模擬信號量，由于測量現(xiàn)場的環(huán)境干擾、電磁干擾、傳感器輸出信號量的漂移以及其他人為因素等復(fù)雜條件的影響，數(shù)據(jù)點不可避免地出現(xiàn)一些非可靠點。直接對這些非可靠點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯然會造成測試結(jié)果的不可靠，因此數(shù)據(jù)處理程序必須先對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

在本測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件中，濾波程序采用了逐點分析的濾波方法[6]。該方法不僅能夠跟蹤和處理實時采樣數(shù)據(jù)而且可以與信號同步分析，從而使數(shù)據(jù)丟失的可能性更小。

圖5 系統(tǒng)測試流程圖

4.3 數(shù)據(jù)組均值模塊

測量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波化處理后，其畸變點已經(jīng)剔除，但部分微小波動量仍存在于測量數(shù)據(jù)之中，進(jìn)而造成測試結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此設(shè)計了數(shù)據(jù)組均值模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)組均值模塊化處理，其測量值將不會出現(xiàn)較大波動，使測量結(jié)果更加精確可靠。

5 結(jié)束語

使用虛擬儀器LabVIEW開發(fā)設(shè)計出的測試系統(tǒng)不僅軟件界面生動、直觀而且操作方便，同時開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)采集速度快、測量精度高、系統(tǒng)實時性好、軟硬件抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、測試功能齊全，滿足了汽車制動性能的測試要求。另外，該系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，硬件不需作較大幅度改動，對軟件作適當(dāng)修改就可將其用作其它相關(guān)試驗的測試與分析，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時測試精度、實時性、自動化程度比傳統(tǒng)儀器有了明顯提高。

[1]盛朝強(qiáng)，謝昭莉.基于電慣量的汽車慣性式制動試驗系統(tǒng)的設(shè)計[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，28(1):90 － 92，101.

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