汽車側滑檢測原理及實現數據快速采集系統(tǒng)的設計

1、引言

汽車前輪側滑量是機動車輛安全技術檢測的重要指標。當汽車直線行駛時前輪的橫向位移量稱側滑量，它是前輪定位參數在動態(tài)情況下匹配性能的綜合反映，若側滑量超出規(guī)定范圍，不僅會磨損輪胎、增大油耗，還會因轉向輪操縱不靈、汽車行駛不穩(wěn)而導致事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的側滑檢測是通過自整角電機或電位計、差動變壓器把滑動板的側滑量轉換成電信號傳遞給指針式顯示裝置，其缺點是測量值無法保存和打印，測量精度也不高。本設計采用電感調頻式位移傳感器，將側滑量轉換成數字頻率信號直接送單片機處理，并可由單片機串口將側滑數據傳給上位機，使操作人員能方便地進行檢測數據的誤差修正、存儲、統(tǒng)計和打印，因而克服了傳統(tǒng)側滑檢測裝置的各種局限性，提高了系統(tǒng)的測量精度和檢測效率。

2、側滑檢測原理及系統(tǒng)結構

側滑檢測系統(tǒng)選用的電感調頻式位移傳感器其輸出的信號頻率與探頭的位移呈線性關系，測試前，傳感器探頭調至中心位置，此時輸出的頻率稱中心頻率；測試時，汽車前輪駛過測試臺，臺上的滑板可向兩側滑動，滑板側滑時，傳感器探頭隨之位移，并輸出相應頻率，通過單片機不斷檢測傳感器的輸出頻率，并將探頭位移后的頻率fi減去中心頻率fo，再乘以轉換系數K即得側滑量，可用公式表示為：

側滑檢測系統(tǒng)由上、下位機兩部分組成，系統(tǒng)結構如圖2—1所示。以單片機為核心構成的下位機集自動檢測、判別、報警及數顯于一體，配上單板側滑臺可獨立完成側滑檢測任務；上位機因人機界面好、資源豐富，使系統(tǒng)便于對采集的數據進行分析、運算、存盤、打印和檢測控制。

3、系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括位移傳感器、倍頻電路、顯示報警電路、單片機、接口電路和PC機。

（1）位移傳感器及倍頻電路

位移傳感器BWG4－10將傳感探頭與調頻振蕩器合裝于一體，當磁性導桿（探頭）在線圈中移動時，線圈電感量發(fā)生變化，從而改變振蕩器的諧振頻率，導桿外移，電感減小，頻率上升；反之頻率下降。由于線圈具有特殊結構，可保證輸出信號的頻率變化與導桿位移近似線性關系，所以傳感器輸出的方波調頻信號無需A／D轉換，可直接輸入計算機處理，既簡化了電路設計又減小了中間誤差，提高了檢測速度。

倍頻電路由反相器、或非門及微分電路構成，通過對輸入方波反相和前、后沿微分產生2個正脈沖，再經或非門合成實現二倍頻，四倍頻由2個二倍頻電路級聯獲得。倍頻數即式（2—1）中的轉換系數，將傳感器的變頻信號倍頻后送8031的P3．4口計數，可大大提高頻率檢測精度而不降低檢測速度。

（2）單片機及顯示報警電路

系統(tǒng)在執(zhí)行數據采集程序時，將8031的T0、T1分別設計成16位的計數器和定時器，定時時間由軟件設置，并通過程序控制單片機在T1的定時時間里使T0對輸入的信號脈沖計數得到信號頻率。系統(tǒng)在執(zhí)行通信程序時，8031的T0、T1被重新設置，以提供通信所需的波特率。

側滑數據從8031的P1．0～P1．3口以BCD碼輸出，并通過4511譯碼器譯成七段數碼送3位共陰數碼管，8031的P1．4～P1．6輸出位選信號控制數碼管的陰極，實現動態(tài)掃描顯示。內、外側滑方向分別由2支發(fā)光二極管指示，其控制信號由P3．6、P3．7輸出。8031的P1．7輸出報警信號，控制發(fā)光管和帶振蕩器的蜂鳴器進行聲光報警，為增強驅動能力，控制信號的輸出均接在1413達林頓管上。

（3）接口電路及上位機

上、下位機之間的通信是利用各自的串口RXT與TXD信號的交叉連接來實現的。本設計采用新型的接口芯片MAX232完成電平轉換，該電路只需外接4個電容就可在V＋和V－上形成RS－232C所需要的正負電壓，它可與單片機共用＋5V電壓源，從而大大簡化了電路設計。

上位機采用VB編程，普通PC機均能滿足系統(tǒng)要求，若有其他下位機需要控制，可對串口進行擴展。

4、系統(tǒng)軟件設計

下位機軟件用匯編語言編寫，主要包括檢測和通信程序、顯示和中斷程序；上位機軟件含界面測控程序、通信程序和誤差修正程序。

（1）檢測、通信程序

系統(tǒng)啟動后先對數據存儲單元清零，并使計數器開始計數，計數期間反復調用顯示程序，當計數達到設定的時間后程序自動轉入中斷服務程序，對檢測的數據進行處理，并判別是否給出報警信號，然后開始下一輪計數。

下位機平時處于數據采集狀態(tài)，每次將采集的動態(tài)最大側滑量和內外滑標志保存在單片機內數據緩沖區(qū)的兩個存儲單元中。當汽車通過滑板后，存儲單元中的數據將不再變化，單片機通過檢測存儲單元中的數據變化情況判斷汽車通過后，自動轉入通信程序將檢測數據傳給上位機。為提高系統(tǒng)工作效率，通信采用中斷與查詢相結合的方式編程，單片

圖4—1單片機通信流程圖機先將內（外）滑標志作為握手信號傳給上位機申請中斷，并檢測串口等待微機回答，若回答正確，則向上位機發(fā)送有效數據，若在一定時間內未收到上位機的正確回答，則清數據緩沖區(qū)，返回數據采集狀態(tài)。單片機檢測通信流程見圖4—1。

（2）顯示和中斷程序

顯示程序先將二進制數碼轉換成BCD碼，然后分別將個、十、百位的數據送P1．6～P1．4口，使每位數據輪流顯示600 s，同時給出測滑方向顯示信號。

中斷服務程序將復位后第一次得到的頻率作為中心頻率送入指定單元保存，其后每次測得的頻率都與中心頻率比較，結果大于零置外滑標志，否則置內滑標志，并將最大的比較結果送數據緩沖區(qū)保存。中斷服務程序流程如圖4—2所示。

（3）上位機的編程

在Windows環(huán)境下，上位機的操作系統(tǒng)完全接管了各種硬件資源，一般不允許用戶直接控制串行口的中斷管理。VB為用戶提供了一個進行計算機串口通信管理的MScomm控件，該控件可實現串行通信的數據發(fā)送和接收，并對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協議進行設置。在發(fā)送或接收數據過程中，MScomm自動觸發(fā)ONcomm事件，用戶可通過編程訪問CommEvent屬性，了解通信事件的類型，并添加處理代碼，進行串口的相關處理。根據單片機的數據傳送方式，上位機接收側滑標志后，先將其保存，再向下位機發(fā)送握手回答標志，并等待100 ms后取走串口輸入緩沖器中的數據。

為提高檢測精度，我們在上位機利用高級語言編程對位移的非線性誤差進行了有效補償。根據實驗數據可得傳感器輸出頻率與探頭位移量的非線性關系曲線，從中點將該曲線分為兩段，并采用“最小二乘法”求得兩條擬合直線以替代非線性曲線，這樣可使擬合誤差進一步減小。程序由檢測數據的內、外滑標志先判定那條擬合直線取代非線性曲線，然后按相應的直線方程求出補償后的位移量x’，上位機誤差處理流程如圖4—3所示。

5、結束語

系統(tǒng)硬件設計實現了數據的快速采集，軟件設計則保證了測量結果的高精度，系統(tǒng)的滿量程離散誤差和中心頻率的隨機誤差可通過軟件消除，量化誤差可通過倍頻技術而減小，傳感器的非線性誤差可控制在0．01 mm以下，頻漂誤差及動態(tài)誤差可分別控制在0．003和0．05 mm／m以下，實驗表明，系統(tǒng)總誤差小于0．114 mm／m，完全滿足側滑儀設計要求。系統(tǒng)還可通過上位機設置相關程序參數，以適用于不同規(guī)格（0．5 m、0．8 m、1 m）的側滑臺。

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