基于LabVIEW的實車四輪輪速信號再現(xiàn)系統(tǒng)

黃 超，田錦明，紀(jì)林海，朱慧敏，王春玲，陳蕊悅，秦燕華

(江蘇海洋大學(xué)電子工程學(xué)院，江蘇連云港 222005)

0 引言

ABS傳感器是汽車安全系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的傳感器之一，它決定著汽車制動安全性。ABS剎車防抱死系統(tǒng)和ESP電子穩(wěn)定系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上，系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)需要對其進(jìn)行可靠性和耐久性試驗，試驗過程需要穩(wěn)定可靠真實的ABS輪速傳感器信號。

現(xiàn)有的ABS/ESP性能測試過程中，其中ABS輪速傳感器的信號來源主要有2種。一種是在各種路況環(huán)境下的實車匹配的耐久性試驗，汽車的耐久性試驗要在不同的溫度、氣壓、灰塵、雨雪等環(huán)境下，也要進(jìn)行顛簸路段、高速公路、水洼路段的道路試驗[1]。這種試驗浪費大量的人工成本，而且具有危險性，重復(fù)性差。另一種是采用物理運動部件模擬車輪轉(zhuǎn)動感應(yīng)傳感器輸出信號，進(jìn)而送給ABS/ESP系統(tǒng)的耐久性試驗[2]。但是電機(jī)轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性差和精度低會導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。

針對上面2種傳統(tǒng)方法的不足，本文提出一種基于LabVIEW的實車ABS四輪輪速傳感器信號再現(xiàn)系統(tǒng)，用旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場來激勵輪速傳感器產(chǎn)生真實可靠輪速信號。由于旋轉(zhuǎn)磁場由線圈和鐵芯組成，因此不產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)動、無慣性、響應(yīng)速度快、精度高、成本低；還由于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器是非機(jī)械部件并且是靜態(tài)測試，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器和輪速傳感器可以在高低溫環(huán)境下連續(xù)測試。

軟件部分選用LabVIEW作為輪速傳感器信號再現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)平臺，實時采集再現(xiàn)的輪速信號并顯示，解決軟件編程周期長、復(fù)雜程度高問題[3]。

1 再現(xiàn)系統(tǒng)原理

1.1 再現(xiàn)原理

傳統(tǒng)的輪速信號再現(xiàn)原理是用電機(jī)驅(qū)動測試輪旋轉(zhuǎn)，使傳感器感應(yīng)面處恒定的磁場變?yōu)榻蛔兊?，從而傳感器以方波的電流輸出，信號的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速成比例，再用50 Ω或115 Ω的采樣電阻器使其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電壓信號，然后通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集[4]。

本系統(tǒng)的再現(xiàn)原理與傳統(tǒng)的再現(xiàn)原理類似，傳統(tǒng)是機(jī)械轉(zhuǎn)動引起磁場的變化，本系統(tǒng)是非機(jī)械式的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器中通入交變的電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如圖1所示，向旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器中發(fā)送2組幅值和頻率相同的正弦信號，信號1超前或者滯后信號2相位90°，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，與電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動齒隙的變化所引起的磁場的變化類似，區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器是線圈和鐵芯組成，其不產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)動、無慣性、響應(yīng)速度快和精度高。

1.2 輪速傳感器

汽車輪速傳感器經(jīng)歷了被動式、主動式和智能式的發(fā)展，被動式由于頻率特性差、抗干擾能力弱、測速范圍小等缺點，現(xiàn)在僅在商用車ABS系統(tǒng)中使用；主動式主要是霍爾式傳感器，其具有頻率響應(yīng)高，低速檢出特性好，強大的抗干擾能力，輸出信號的幅值不隨轉(zhuǎn)速變化而變化和尺寸小等優(yōu)點已經(jīng)全面在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用[5]。

隨著汽車智能系統(tǒng)的開發(fā)，需要車輪轉(zhuǎn)動相關(guān)的信號，因此在主動式輪速傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的智能式將會逐漸占領(lǐng)乘用車領(lǐng)域[6]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，高效檢測系統(tǒng)也變得十分重要。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

ABS四輪輪速傳感器信號再現(xiàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要由計算機(jī)、信號回放模塊、信號放大模塊、旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊、輪速傳感器模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、采集卡和直流穩(wěn)壓電源組成。

詳細(xì)的再現(xiàn)流程如下：計算機(jī)通過LabVIEW讀取在各種路況環(huán)境下實車匹配耐久性試驗中得到的4輪真實輪速信號，通過信號回放模塊將4組真實的輪速信號轉(zhuǎn)換成4組正弦信號，通過計算機(jī)可以控制信號回放模塊中每組信號回放電路，使其中一路信號超前或滯后于另一路信號相位90°；經(jīng)過放大模塊放大輸出2路正弦交變電信號，放大模塊連接旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊，放大模塊將放大后的正弦交變電信號送入旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊里的旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊將放大的2路正弦電信號轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)的磁場信號，旋轉(zhuǎn)的磁場信號激勵輪速傳感器模塊產(chǎn)生模擬的輪速信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，信號轉(zhuǎn)換模塊連接采集卡，再傳入計算機(jī)；直流穩(wěn)壓電源為信號回放模塊、信號放大模塊和信號轉(zhuǎn)換模塊供電。圖2中，信號回放電路21與信號放大電路31與旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器41相連，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器41感應(yīng)傳感器51，其他3組電路也是如此連接，正好對應(yīng)實車的4個車輪的輪速信號再現(xiàn)。實現(xiàn)4個輪子的輪速信號同時再現(xiàn)。

2.1 計算機(jī)——基于LabVIEW的再現(xiàn)系統(tǒng)

計算機(jī)是再現(xiàn)系統(tǒng)的核心，也是再現(xiàn)軟件的載體，測試軟件采用的是LabVIEW[7]。PC機(jī)內(nèi)部存儲用于ABS信號再現(xiàn)、各種路況環(huán)境下實車匹配耐久性試驗測得的真實4輪輪速信號；再現(xiàn)輪速信號的過程中PC機(jī)用于處理采集的數(shù)據(jù)，并將過程和結(jié)果顯示在軟件界面上。

2.2 信號回放模塊

信號回放模塊由4組信號回放電路組成，將計算機(jī)輸入的在各種路況環(huán)境下實車匹配的耐久性試驗中得到的4輪真實輪速數(shù)據(jù)曲線信號轉(zhuǎn)換成4組正弦波形信號。

由于旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器是由線圈和鐵芯組成類似于磁電式傳感器，磁電式輸出信號特性就是旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的輸入信號特性。因此齒輪的形狀特征和齒輪的轉(zhuǎn)速決定信號頻率，其有如下的關(guān)系：

(1)

式中：f為正弦波信號頻率,Hz；Z為齒輪齒數(shù)；v為齒輪轉(zhuǎn)速,km/h；R為齒輪半徑尺寸,m。

通過式(1)可以得到輸入旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的頻率信號與輪速對應(yīng)。

信號幅值由間隙和齒輪轉(zhuǎn)速決定，隨轉(zhuǎn)速增加而增大，隨間隙的增加而減少[8]。通過觀察輪速傳感器的輸出波形來確定幅值大小，具體是：信號發(fā)生器與信號放大器相連用于產(chǎn)生正弦信號，產(chǎn)生的信號通入旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器里產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，輪速傳感器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的磁場，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電阻器輸出信號，在示波器上顯示；確定一個合適的間隙(輪速傳感器感應(yīng)面與旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器感應(yīng)面之間的距離)，保持信號頻率不變，調(diào)節(jié)幅值0～20 V，觀察傳感器輸出波形，調(diào)節(jié)過程中若出現(xiàn)穩(wěn)定輪速傳感器信號波形則記錄該頻率下的幅值；取1～3 000 Hz頻率里特殊的和盡可能多的點，使用上述方法記錄對應(yīng)頻率下的幅值，最后通過多項式擬合可以得到與1～3 000 Hz頻率對應(yīng)的幅值。

信號發(fā)生器通過USB接口與計算機(jī)相連，回放模塊將正弦信號的幅值與頻率寫入信號發(fā)生器內(nèi)。

數(shù)據(jù)采集卡采集的輪速傳感器信號的頻率f與齒輪轉(zhuǎn)速v成正比例關(guān)系：

(2)

式中f為數(shù)據(jù)采集卡采集的輪速傳感器信號頻率，Hz。

通過式(2)可以將再現(xiàn)的輪速頻率信號轉(zhuǎn)換成齒輪的轉(zhuǎn)速信號。

2.3 信號放大模塊

信號放大模塊是將回放模塊輸出的正弦信號進(jìn)行放大，再輸出給旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊。由于輸入的正弦波信號的頻率范圍很廣，而旋轉(zhuǎn)磁場是由線圈和鐵芯組成，感性負(fù)載線圈的阻抗會受頻率的變化影響，使輸入電流變化，因此采用交流恒流源放大器[9]。

2.4 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊

旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生模塊由4個旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器組成，如圖3所示，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器由2個線圈、2個鐵芯、鋁合金固定夾和線圈的輸入端組成。2個鐵芯留有小的氣隙，2個鐵芯由鋁合金固定夾固定在一起，通過螺絲固定于磁場發(fā)生器固定支架上。

信號放大模塊把放大的正弦交變信號發(fā)送到旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的線圈里，線圈將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)磁場信號，鐵芯使得磁場信號加強，使輪速傳感器感應(yīng)到信號。

旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的設(shè)計應(yīng)考慮：磁場大小、線圈匝數(shù)、線圈線徑、鐵芯的尺寸因素以及通入線圈電流后旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場對激勵傳感器產(chǎn)生的最優(yōu)效果。

2.5 信號轉(zhuǎn)換模塊

傳感器信號轉(zhuǎn)換示意圖，如圖4所示，UV是傳感器供電電壓，12 V；RM為檢測電阻，50 Ω或115 Ω；對于普通的主動式輸出信號值Ilow、Ihigh，通常為Ilow=7 mA、Ihigh=14 mA；對于智能式輪速傳感器輸出信號值Ilow、Imid、Ihigh，通常為Ilow=7 mA、Imid=14 mA、Ihigh=28 mA；傳感器輸出信號經(jīng)過檢測電阻，獲得測試中的信號電壓URM[10]。

接通供電，隨著磁場的交替變化，傳感器輸出方波脈沖，如圖5(a)所示，主動式非智能輪速傳感器輸出高低電流信號的方波脈沖，其占空比為t1/T。如圖5(b)所示，智能式輪速傳感器輸出三電平信號波形。三電平信號包含高電流信號，其頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比，中電流信號由9位方波信號提供車輪的附加信號，包括氣隙儲備、車輪正反轉(zhuǎn)等信息，低電流信號是基礎(chǔ)電流水平，三電平信號的占空比為t2/T[11]。

3 軟件設(shè)計及實現(xiàn)

選用了LabVIEW軟件開發(fā)輪速再現(xiàn)系統(tǒng)，完成了信號回放系統(tǒng)的前面板和后面板的編寫。圖形化軟件編程使系統(tǒng)界面友好、操作簡單，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)文件載入、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、輸出波形顯示及波形數(shù)據(jù)保存等功能[12]。

如圖6所示，信號回放模塊的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖主要由6部分組成，分別為系統(tǒng)初始化、讀取文件(真實的輪速信號文件)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)信號、采集輪速信號和信號的顯示與回放。

信號回放系統(tǒng)基本流程是：當(dāng)進(jìn)入信號回放系統(tǒng)時，系統(tǒng)默認(rèn)初始化；當(dāng)載入各種路況壞境下與實車相匹配的耐久性試驗的真實四輪輪速曲線數(shù)據(jù)CSV文件，系統(tǒng)讀取文件以波形曲線的形式顯示在LabVIEW的前面板界面上；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要有車輪的齒數(shù)、尺寸類型、車輪的尺寸、輪速傳感器類型；根據(jù)所設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)將讀取的輪速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)幅值和頻率的正弦波信號，然后寫入信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，經(jīng)過信號放大模塊，發(fā)送到旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器模塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場激勵輪速傳感器產(chǎn)生信號；采集卡采集輪速傳感器產(chǎn)生的信號并發(fā)送到計算機(jī)里，通過LabVIEW以波形曲線的形式顯示在LabVIEW前面板上；LabVIEW將再現(xiàn)的輪速信號通過信號的頻率結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換成速度時間圖像并顯示在前面板上。

3.1 回放系統(tǒng)的前面板和后面板設(shè)計

波形回放系統(tǒng)的前面板圖設(shè)計如圖7所示，左側(cè)是載入文件和參數(shù)設(shè)置，在LabVIEW的前面板上加入一個文件路徑輸入控件，用來加載真實的輪速信號文件；4個數(shù)值顯示控件分別為讀取文件的起始行、行數(shù)、齒輪的齒數(shù)和車輪的尺寸的數(shù)值設(shè)置，4個枚舉控件分別為車輪尺寸類型、前后輪輪速傳感器的類型和輸出信號的類型的設(shè)置；2個按鈕控件來實現(xiàn)裝入文件和退出系統(tǒng)操作；1個布爾開關(guān)控件來控制是否回放。右側(cè)是回放曲線面板和波形曲線顯示區(qū)域，波形曲線面板是顯示采集卡采集的4個輪速傳感器信號波形；回放曲線顯示的是四輪真實的輪速信號和再現(xiàn)的輪速信號，共8個波形圖控件組成。

回放系統(tǒng)后面板設(shè)計主要有讀取文件、發(fā)送數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)并處理。如圖8所示，讀取真實輪速數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件是由時間數(shù)據(jù)和4列輪速數(shù)據(jù)，通過2個子vi實現(xiàn)，其中子vi3提取4列輪速數(shù)據(jù)的功能是將后4列的輪速數(shù)據(jù)提取出來，子vi2速度信號轉(zhuǎn)頻率信號的功能是將4列速度信號轉(zhuǎn)換成4列頻率信號；輸出類型可選速度和頻率，通過條件結(jié)構(gòu)，輸出到波形圖里。如圖9所示，使用的是LabVIEW中的儀器I/O函數(shù)面板，采用VISA寫入將正弦信號的幅值與頻率寫入信號發(fā)生器[13]。將從真實的速度信號轉(zhuǎn)換成正弦的輪速信號，通過信號發(fā)生器的通訊指令寫入信號發(fā)生器用來產(chǎn)生信號。如圖10所示，將采集的前輪2個二電平主動式輸出波形1和波形2通過子vi電壓頻率測量濾波得到頻率信號，再經(jīng)過頻率與速度轉(zhuǎn)換子模塊轉(zhuǎn)換得到再現(xiàn)輪子的速度信號。后輪三電平的傳感器信號處理與二電平信號處理類似。經(jīng)過以上3個主要模塊的LabVIEW后面板設(shè)計就可以實現(xiàn)真實的輪速信號的再現(xiàn)。

3.2 再現(xiàn)結(jié)果顯示

采集卡采集的輪速傳感器波形顯示如圖11所示，采集部分傳感器輸出信號顯示在LabVIEW前面板的波形面板上。圖中前輪使用是輸出為二電平脈寬調(diào)制的主動式輪速傳感器，后輪是輸出為三電平的智能式輪速傳感器。在各種路況環(huán)境下實車匹配的耐久性試驗中得到的真實的4輪輪速信號的速度變化波動很大，所以讀真實的輪速數(shù)據(jù)從6 000行到7 000行，采集部分速度變化不大時間段的輪速傳感器輸出信號顯示在波形面板上。可以看出波形曲線高低電流值和占空比大小都是符合要求的。

波形回放系統(tǒng)的前面板見圖7，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：車輪齒數(shù)43、車輪周長尺寸2.813 m、前輪傳感器輸出信號類型二電平信號、后輪傳感器輸出信號類型三電平信號?；胤徘€面板分為4塊，每塊有上下2幅波形曲線，下面的波形曲線是真實的4輪輪速曲線，上面的波形曲線是再現(xiàn)的4輪輪速曲線，再現(xiàn)的輪速曲線是通過對采集到的輪速傳感器波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到的。從圖7可以看出真實的4個輪子的輪速曲線與再現(xiàn)的輪速曲線十分的吻合，可以得出以下的結(jié)論：

(1)測量前后輪的輪速傳感器是合格的產(chǎn)品；

(2)該系統(tǒng)可以得到真實可靠的輪速信號；

(3)實現(xiàn)對輪速傳感器在低速和高速下精確的測試；

(4)實現(xiàn)了實車4個輪子輪速信號同時再現(xiàn)；

(5)該系統(tǒng)可以高效地檢測輪速傳感器產(chǎn)品，適應(yīng)現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文提出并測試了一套基于LabVIEW的實車ABS四輪輪速傳感器信號再現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場激勵輪速傳感器，這種電與磁與電之間轉(zhuǎn)換的方法，與傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動齒輪激勵傳感器相比，成本低，重復(fù)性好并且克服了電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差和測試精度低等缺點，實現(xiàn)了輪速高精度再現(xiàn)。還可以將旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器和輪速傳感器放入高低溫箱內(nèi)實現(xiàn)-40～150 ℃環(huán)境下的輪速傳感器測試。測試結(jié)果表明：再現(xiàn)的信號與真實的輪速信號十分吻合，該系統(tǒng)可以給ABS和ESP系統(tǒng)耐久性試驗提供與實車相匹配的真實可靠的輪速信號。