采用ARM控制器的制動(dòng)性能測(cè)試儀設(shè)計(jì)

　　摘要：制動(dòng)性能測(cè)試儀是一種以測(cè)量機(jī)車充分發(fā)出的平均減速度來(lái)檢驗(yàn)機(jī)車制動(dòng)性能，同時(shí)具有其它輔助項(xiàng)目的綜合性測(cè)試儀器。新一代制動(dòng)性能測(cè)試儀的硬件采用ARM控制器，SD存儲(chǔ)卡，USB通信接口以及觸摸式人機(jī)界面，軟件采用基于μC/OS-II的面向任務(wù)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際測(cè)試表明，新儀表的性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文系統(tǒng)地介紹了該儀器的測(cè)量原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

　　引言

　　《機(jī)動(dòng)車行車安全技術(shù)條件》^[1]GB7258-2012中規(guī)定了行車制動(dòng)性能檢驗(yàn)的若干種方法，其中包括用制動(dòng)距離檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能、用充分發(fā)出的平均減速度檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能等，制動(dòng)性能測(cè)試儀正是根據(jù)這些測(cè)試要求開發(fā)出來(lái)的一種儀器。除了上述制動(dòng)性能測(cè)試功能外，儀表同時(shí)還具有測(cè)量加速性能、踏板力、路面坡度以及車速表校驗(yàn)等功能。

　　此次研發(fā)的新一代制動(dòng)性能測(cè)試儀采用ARM單片機(jī)作為主控制器，SD卡作為存儲(chǔ)媒介，人機(jī)界面采用觸摸式液晶屏，增加了與GPS模塊和電腦通信的USB接口，軟件使用了基于μC/OS-II的面向任務(wù)的設(shè)計(jì)方法。新的硬件及軟件的應(yīng)用使儀表性能在原有基礎(chǔ)上得到了大幅提升。

　　測(cè)量原理

　　由基本物理量的關(guān)系可知，對(duì)加速度進(jìn)行積分計(jì)算可以得到速度：

　　對(duì)速度進(jìn)行積分計(jì)算可以得到距離：

　　有了速度和距離，根據(jù)《機(jī)動(dòng)車行車安全技術(shù)條件》^[1]GB7258-2012中關(guān)于MFDD的定義就可計(jì)算得到機(jī)車充分發(fā)出的平均減速度：

　　式中：MFDD——充分發(fā)出的平均減速度，單位為米每平方秒(m/s²);

　　由上分析可知測(cè)量MFDD的關(guān)鍵是測(cè)量加速度。測(cè)量原理如圖1所示，首先由加速度傳感器把加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大電路放大輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算得到速度、距離和MFDD。

　　加速度傳感器采用的是硅微電容式固態(tài)加速度傳感器。其內(nèi)部有一個(gè)對(duì)加速度敏感的質(zhì)量塊，這個(gè)質(zhì)量塊通過(guò)具有彈性的懸臂固定在敏感器殼體上，質(zhì)量塊的上方和下方分別設(shè)置一個(gè)電極板，它們與質(zhì)量塊相隔一個(gè)很窄的相等的間隙，這兩個(gè)極板分別與質(zhì)量塊形成一個(gè)相等的電容，當(dāng)殼體在沿著這個(gè)質(zhì)量塊的上下方向發(fā)生加速度時(shí)，慣性力使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，改變了間隙，因而電容量發(fā)生變化。這兩個(gè)電容量的差值與加速度成正比，這就構(gòu)成了電容式加速度傳感器^[2]。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　制動(dòng)性能測(cè)試儀還可對(duì)踏板力進(jìn)行測(cè)量，其原理與加速度測(cè)量基本相同，首先由力傳感器把踏板力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大電路放大輸入A/D轉(zhuǎn)換器，最后計(jì)算得到踏板力值。

　　踏板力測(cè)量使用的是輪輻式應(yīng)變傳感器，傳感器以金屬?gòu)椥泽w變形原理和電阻應(yīng)變片的應(yīng)變?cè)頌榛A(chǔ)，傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。電阻應(yīng)變片被熱固性樹脂粘結(jié)劑牢固地粘貼在踏板力彈性體應(yīng)變區(qū)表面，四片電阻應(yīng)變片連接成惠斯登電橋線路，如圖4所示。在外力作用下，電阻應(yīng)變片隨踏板力傳感器彈性體變形而改變電阻值，其中R1、R3的電阻變化方向和R2、R4相反，這樣就使應(yīng)變電橋產(chǎn)生一個(gè)與外力成正比的電壓輸出信號(hào)^[2]。