采用ARM控制器的制動性能測試儀設(shè)計

　　摘要：制動性能測試儀是一種以測量機車充分發(fā)出的平均減速度來檢驗機車制動性能，同時具有其它輔助項目的綜合性測試儀器。新一代制動性能測試儀的硬件采用ARM控制器，SD存儲卡，USB通信接口以及觸摸式人機界面，軟件采用基于μC/OS-II的面向任務(wù)的設(shè)計方法。實際測試表明，新儀表的性能指標(biāo)達到設(shè)計要求。本文系統(tǒng)地介紹了該儀器的測量原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

　　引言

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

　　此次研發(fā)的新一代制動性能測試儀采用ARM單片機作為主控制器，SD卡作為存儲媒介，人機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。

　　測量原理

　　由基本物理量的關(guān)系可知，對加速度進行積分計算可以得到速度：

　　對速度進行積分計算可以得到距離：

　　有了速度和距離，根據(jù)《機動車行車安全技術(shù)條件》^[1]GB7258-2012中關(guān)于MFDD的定義就可計算得到機車充分發(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);

　　由上分析可知測量MFDD的關(guān)鍵是測量加速度。測量原理如圖1所示，首先由加速度傳感器把加速度轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過放大電路放大輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由單片機對采集的數(shù)據(jù)進行積分計算得到速度、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)部有一個對加速度敏感的質(zhì)量塊，這個質(zhì)量塊通過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)置一個電極板，它們與質(zhì)量塊相隔一個很窄的相等的間隙，這兩個極板分別與質(zhì)量塊形成一個相等的電容，當(dāng)殼體在沿著這個質(zhì)量塊的上下方向發(fā)生加速度時，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。

　　制動性能測試儀還可對踏板力進行測量，其原理與加速度測量基本相同，首先由力傳感器把踏板力轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過放大電路放大輸入A/D轉(zhuǎn)換器，最后計算得到踏板力值。

　　踏板力測量使用的是輪輻式應(yīng)變傳感器，傳感器以金屬彈性體變形原理和電阻應(yīng)變片的應(yīng)變原理為基礎(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)生一個與外力成正比的電壓輸出信號^[2]。