汽車基本性能檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李澤華，白云川，朱道偉，王 虎

(軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161)

汽車在使用過(guò)程中，隨著行駛里程增加，出現(xiàn)可靠性降低、經(jīng)濟(jì)性變差和故障率增加等現(xiàn)象［1］，因此，需要定期對(duì)汽車的基本性能進(jìn)行檢測(cè)，以免造成交通安全隱患。汽車道路試驗(yàn)是汽車檢測(cè)中極為重要的方法，是一種非常接近實(shí)際情況的試驗(yàn)。它是指在普通道路下，通過(guò)采用專用儀器設(shè)備對(duì)汽車的基本性能進(jìn)行不解體檢測(cè)，可以為分析和判斷汽車的技術(shù)狀況提供定量依據(jù)。本文在采用Java串口通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)在道路條件下汽車行駛過(guò)程中的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集、分析與處理，開(kāi)發(fā)了基于Java串口通信技術(shù)的汽車基本性能檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為加速性能檢測(cè)、燃料消耗量檢測(cè)、制動(dòng)性能檢測(cè)、滑行性能檢測(cè)、標(biāo)定功能和系統(tǒng)設(shè)置6個(gè)模塊，系統(tǒng)功能如圖1所示。

該系統(tǒng)采用的是上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)，上、下位機(jī)采用RS232串行通信。系統(tǒng)使用的傳感器是由瑞士QUICKLYAG公司研發(fā)的非接觸式光電速度傳感器和我國(guó)煙臺(tái)海晨科技有限公司研發(fā)的燃油流量傳感器，光電速度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)跟蹤濾波器和數(shù)據(jù)采集卡的處理，與燃油流量傳感器采集的信號(hào)一起通過(guò)RS232串行端口發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)讀取下位機(jī)發(fā)送的各種信號(hào)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在系統(tǒng)的主面板上將實(shí)時(shí)顯示經(jīng)過(guò)處理后的各種信號(hào)，準(zhǔn)確提示檢測(cè)員下一步需要進(jìn)行的操作，檢測(cè)員只需按照相關(guān)指示即可完成對(duì)汽車基本性能的檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 串口通信程序的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Microsoft Windows 7操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2005，編程語(yǔ)言為Java，開(kāi)發(fā)工具為Eclipse。Sun公司的 J2SE中沒(méi)有直接提供串行通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)包，而是以獨(dú)立的jar包形式發(fā)布在java.sun.com網(wǎng)站上的javacomm 20-win 32.zip，稱之為 Java Communications API，Java通過(guò)該類庫(kù)能夠極大地簡(jiǎn)化對(duì)串口的操作過(guò)程。javacomm 20-win 32.zip主要包含以下 3 個(gè)文件:comm.jar、win 32com.dll和 javax.comm.properties。comm.jar提供通信用的 Java API;win 32com.dll提供供comm.jar調(diào)用的本地驅(qū)動(dòng)接口;javax.comm.properties是這個(gè)驅(qū)動(dòng)的類配置文件，配置路徑如下:

＜JAVA_HOME＞jrelibcomm.jar

＜JAVA_HOME ＞ jrelibjavax.comm.properties

＜JAVA_HOME＞jreinwin 32com.dll

在運(yùn)行串口包的時(shí)候，由于運(yùn)行的程序是在JRE下的虛擬機(jī)啟動(dòng)的，因此，還需將上述3個(gè)文件放到所運(yùn)行JRE相應(yīng)的目錄下。

2.2 串口讀寫的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 打開(kāi)串口

CommPortIdentifier portId=CommPortIdentifier.getPortIdentifier(“portName”);//獲得一個(gè)想要打開(kāi)串口的 CommPortIdentifier對(duì)象，“portName”為串口名稱

SerialPort sPort=(SerialPort)portId.open(“SerialMain”，1 000);//打開(kāi)串口，“SerialMain”為串口所有者名稱，1 000為打開(kāi)串口超時(shí)等待時(shí)間

SerialParameters parameters=new SerialParameters();//SerialParameters是自定義的一個(gè)為串口提供存儲(chǔ)參數(shù)的類

sPort. setSerialPortParams(parameters. get-BaudRate()，parameters.getDatabits()，parameters.getStopbits()，parameters.getParity());//設(shè)置串口初始化參數(shù)，依次是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等

2.2.2 注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)器

SerialPort的監(jiān)聽(tīng)器必須繼承于SerialPortEventListener接口。當(dāng)有任何SerialPort的事件發(fā)生時(shí)，將自動(dòng)調(diào)用監(jiān)聽(tīng)器中的serialEvent()方法。

sPort.addEventListener(this);

2.2.3 讀取串口數(shù)據(jù)

byte［］b=new byte［100］;

InputStream is=sPort.getInputStream();//串口輸入流

int all_b=is.read(b);//讀取數(shù)據(jù)

2.2.4 向串口寫數(shù)據(jù)

OutputStream os=sPort.getOutputStream();//串口輸出流

os.write(date);//寫入數(shù)據(jù)

3 傳感器的工作原理

3.1 非接觸式光電速度傳感器

非接觸式光電速度傳感器(如圖3所示)是以一副梳狀結(jié)構(gòu)的硅電池作為敏感元件，地面反射光經(jīng)凸透鏡成像于該梳狀光電器件上，隨著汽車的運(yùn)動(dòng)，梳狀光電器件產(chǎn)生隨反射光強(qiáng)度變化的電流，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生窄帶隨機(jī)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)一個(gè)自動(dòng)跟蹤帶通濾波器和數(shù)字中心頻率檢測(cè)電路處理后，得到脈沖信號(hào)［2］，根據(jù)脈沖信號(hào)與距離的轉(zhuǎn)換系數(shù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可得到汽車的移動(dòng)距離、時(shí)間和行駛速度等物理量。

圖3 非接觸式光電速度傳感器結(jié)構(gòu)

3.2 燃油流量傳感器

燃油流量傳感器(如圖4所示)串聯(lián)在汽車的燃油管路中，用來(lái)獲取汽車的燃料消耗量。

圖4 燃油流量傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器主要由下部的由活塞組成的四連桿機(jī)構(gòu)和上部的轉(zhuǎn)速/脈沖變換器兩部分組成，活塞在燃油管路壓力的帶動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速/脈沖變換器將這個(gè)旋轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電壓脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)量脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，根據(jù)設(shè)備規(guī)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)(一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的燃料消耗量)，計(jì)算出汽車在指定距離內(nèi)的燃料消耗量。

4 數(shù)據(jù)的采集、分析與處理

光電速度傳感器和燃油流量傳感器通過(guò)RS232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)都是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，上位機(jī)從串口中采集到數(shù)據(jù)后，根據(jù)事先與下位機(jī)達(dá)成的通信協(xié)議，分別將這些脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為汽車的行駛速度、行駛距離、行駛時(shí)間和燃料消耗量等參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析和處理，對(duì)汽車的基本性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

下面以燃料消耗量檢測(cè)模塊中的“等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)”為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1 數(shù)據(jù)的采集

等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)是檢測(cè)汽車在一定條件下的燃料消耗量，用以評(píng)價(jià)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，主要評(píng)價(jià)參數(shù)是汽車的平均速度和燃料消耗量。要求被檢車輛在預(yù)熱行駛后，采用直接擋或最高擋等速地通過(guò)500 m的距離，測(cè)量汽車通過(guò)該路段的時(shí)間及燃料消耗量。檢測(cè)指定車速?gòu)?0 km/h(最小穩(wěn)定車速高于20 km/h時(shí)，從30 km/h檢測(cè))開(kāi)始，以10 km/h的整數(shù)倍均勻選取車速，直到最高車速的50%，至少測(cè)定5個(gè)試驗(yàn)車速。

根據(jù)GB/T 12545.2—2001《商用車輛燃料消耗量試驗(yàn)方法》［3］，對(duì)依維柯得意A40汽車進(jìn)行等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)，檢測(cè)車速為30、40、50、60、70 km/h。首先通過(guò)非接觸式光電速度傳感器和燃油流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4.2 數(shù)據(jù)的分析與處理

使用傳感器采集到汽車的行駛距離、行駛時(shí)間、行駛速度和燃料消耗量等物理量后，系統(tǒng)分別對(duì)采集數(shù)據(jù)做不同的處理。

根據(jù)表1繪制往返的實(shí)際車速—百公里燃料消耗量曲線，從而得出檢測(cè)車速下的往返百公里燃料消耗量(見(jiàn)表2)。

表1 等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)數(shù)據(jù)

表2 檢測(cè)車速下的百公里燃料消耗量 L/100 km

4.2.1 數(shù)據(jù)的重復(fù)性檢驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果必須經(jīng)重復(fù)性檢驗(yàn)，重復(fù)性檢驗(yàn)應(yīng)按照第95百分位分布來(lái)判斷。第95百分位分布的標(biāo)準(zhǔn)差R與重復(fù)檢測(cè)的次數(shù)n有關(guān)(見(jiàn)表3)。

表3 第95百分位分布的標(biāo)準(zhǔn)差與n的對(duì)應(yīng)關(guān)系

計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差R之后，還需計(jì)算n次檢測(cè)結(jié)果中燃料消耗量的最大值與最小值之差ΔQmax。當(dāng)ΔQmax＜R時(shí) ，認(rèn)為檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性好，不必增加試驗(yàn)次數(shù);當(dāng)ΔQmax＞R時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性差，應(yīng)增加試驗(yàn)次數(shù)。本次檢測(cè)重復(fù)次數(shù)為2次，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

可以看出:在車速為 30、40、60、70 km/h時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性好;而在車速為50 km/h時(shí)重復(fù)性不好，應(yīng)增加測(cè)試次數(shù)。

4.2.2 置信區(qū)間的計(jì)算

由于檢測(cè)結(jié)果受很多因素的影響，所以檢測(cè)結(jié)果是一個(gè)在一定范圍內(nèi)變化的隨機(jī)變量［4］。在一定置信度下(置信度90%)，該范圍置信區(qū)間ΔQv為

將不同工況下的各數(shù)據(jù)代入式(1)，可得被檢車輛在不同工況下的ΔQv(見(jiàn)表5)。

表4 R與ΔQmax的計(jì)算結(jié)果 L/100 km

表5 各工況下被檢車輛的置信區(qū)間

4.2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的校正

由于燃料消耗量測(cè)定值不是在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下測(cè)得的，因此，須將測(cè)得的燃料消耗量校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各參數(shù)值分別為:氣溫20℃;氣壓100 kPa;柴油密度0.830 g/mL。校正公式如下:

式中:Q0為校正后的燃料消耗量，L/100 km;C1為環(huán)境溫度矯正系數(shù);C2為大氣壓力矯正系數(shù);C3為燃料密度矯正系數(shù)。其中

式中:T為檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度，℃;p為檢測(cè)時(shí)的大氣壓力，kPa;Gd為檢測(cè)用的柴油的平均密度，g/mL。

在測(cè)量出檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度、大氣壓力和柴油密度后，分別將式(3)—(5)代入式(2)可得校正后的燃料消耗量(見(jiàn)表6)。

表6 校正后等速行駛百公里燃料消耗量 L/100 km

4.2.4 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)等速百公里燃料消耗量的校正值，繪制被檢車輛等速百公里燃料消耗量曲線(如圖5所示)。

圖5 等速行駛百公里燃料消耗量曲線

5 應(yīng)用驗(yàn)證

為了說(shuō)明和分析筆者提出的汽車基本性能檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊都選用了不同車輛做了大量的測(cè)試。以本系統(tǒng)分別對(duì)南京依維柯(1號(hào)車)和福特全順汽車(2號(hào)車)進(jìn)行等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)為例進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試顯示的汽車等速行駛百公里燃料消耗量校正值見(jiàn)表7。

表7 1、2號(hào)車5次等速行駛?cè)剂舷牧繖z測(cè)數(shù)據(jù) L/100 km

通過(guò)比較可以看出，1號(hào)車與2號(hào)車校正后的燃油消耗量數(shù)值吻合較好，說(shuō)明系統(tǒng)的可靠性良好，數(shù)據(jù)分析與處理精準(zhǔn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，可以反映實(shí)際檢測(cè)狀況。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)汽車基本性能檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)利用Java串口通信技術(shù)實(shí)時(shí)采集傳感器發(fā)送的信號(hào)，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理。實(shí)車驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)人機(jī)交互友好，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、直觀，具有一定的實(shí)用意義。

［1］ 高紅紅，勞奇成，盧春霞.汽車整車性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(15):194-195.

［2］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:70-71.

［3］ 國(guó)家質(zhì)檢總局.商用車輛燃料消耗量試驗(yàn)方法:GB/T12545.2—2001［S］.北京:國(guó)家質(zhì)檢總局，2001.

［4］ 夏均忠.汽車檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:90-91.