專利名稱：：輪速信號采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于標定汽車性能場地試驗中的測量技術，特別是涉及一種輪速信號采集系統(tǒng)。技術背景在進行場地試驗時，輪速的測量通常使用外接光柵尺或利用霍爾元件的方式。上訴方式如果采用內(nèi)嵌式，勢必將拆卸車輪系統(tǒng)，破壞整車的剛性結構；如果采用外掛式的傳感器來測量，首先會增加車輪系統(tǒng)的重量，在試驗中影響車輪在特殊工況下的響應特性，其次由于外掛式增加了車輪及整車的體積，在蛇形試驗中要快速通過標志桿的難度就大大增大。而且利用附加的傳感器采集的輪速信號與在整車電子系統(tǒng)中采集到的其他信號會出現(xiàn)不同步的問題(即采集到的輪速與整車電控系統(tǒng)采集的輪速有差別)，這樣會影響車輛性能的評估。
發(fā)明內(nèi)容在對標定汽車(Benchmark)性能場地試驗中，輪速的準確測量是非常重要的。由于無論是采用內(nèi)嵌式還是外掛式的輪速測量裝置，都會影響整車的性能并要求結構修改，測量裝置安裝周期長、成本高，并可能影響測量精度。實驗測得的數(shù)據(jù)不真實不準確，同時利用輔助設備所采集的輪速，與整車電控系統(tǒng)所采集的輪速信號有差異，因此用電控系統(tǒng)的其他信號與輔助設備采集的輪速信號在一起對整車的性能進行分析，就會偏離真實的車輛性能。本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種輪速信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用車輛原有的ABS輪速傳感器信號，經(jīng)信號分離、信號放大、信號濾波、信號整形、計算機采集、輪速計算等一系列處理，快速準確獲取車輛輪速。本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的，結合如下-一種輪速信號采集系統(tǒng)，主要由車輪處信號采集器、輪速信號調(diào)理器和計算機組成，其特征在于所說的車輪處信號采集器采用車輛剎車系統(tǒng)上的ABS系統(tǒng)的輪速采集傳感器，所說的輪速信號調(diào)理器由四套結構相同的信號調(diào)理電路組成，包括跟隨器(A)、低通濾波器(B)、高通濾波放大器(C)、整形穩(wěn)壓輸出(D)四個部分每一套調(diào)理電路中都有四個運算放大器，通過接插件DB9分別接收車輛四個輪子ABS輪速采集傳感器的脈沖信號和向計算機發(fā)送信號，所說的計算機上裝有采集信號的定時/計數(shù)卡和輪速計算模型。所說的跟隨器A為由一個運算放大器和兩個電阻構成的電壓跟隨電路，運算放大器選用封裝的LM324，電路的輸入端是輸入接插件DB9的脈沖輸入，經(jīng)過Rl連接到LM3241的正端輸入引腳3上，將LM3241的負端輸入引腳2經(jīng)電阻R2后返回到LM3241的輸出引腳1上輸出。所說的低通濾波器B由一個運算放大器、兩個電阻和二個獨石電容構成，將上一級的輸出作為這一級的輸入，LM3241輸出引腳1經(jīng)過R3和R4接入LM3242的正端輸入引腳5上，同時將LM3242引腳5通過電容C2落地，電容Cl的兩端分別與LM3242負端輸入引腳6及電阻R3和R4的中間相連，最后將LM3242負端輸入引腳6與LM3242輸出引腳7相連，輸出經(jīng)過調(diào)理的信號。所說的高通濾波放大器C由一個運算放大器、三個電阻、三個獨石電容和一個電位器構成，LM3242輸出引腳7經(jīng)過電容C5和C4輸入LM3243的負端引腳9上，C3與R5的一端都接到LM3243的輸出引腳8上，另一端分別接到C5和C4的中間及LM3243的負端引腳9上，LM3243的正端引腳10與電位器R8的中間抽頭相連接，電位器R8—端接地，另一端通過電阻R7與+15V電源相連。所說的整形穩(wěn)壓輸出D電路由一個運算放大器、三個電阻、一個穩(wěn)壓二極管和一個電位器構成。LM3243輸出引腳8經(jīng)過R10接入LM3244的正端引腳12上，將LM3244的負端引腳13與電位器R12的中間抽頭相連，電位器R12的一端接地，另一端經(jīng)過電阻R11與+15V電源相連，LM3244的正端引腳12經(jīng)過R9與LM3244輸出引腳14連接，穩(wěn)壓管Dl一端與地連接，另一端與LM3244輸出引腳14連接。所說的定時/計數(shù)卡定對外部輸入的脈沖進行計數(shù)，為系統(tǒng)提供基準時鐘，在設定的單位時間內(nèi)，將得到的脈沖數(shù)以中斷的形式發(fā)送給輪速計算模型。所說的輪速計算模型為一個循環(huán)計算模型，每次循環(huán)的觸發(fā)是接收定時卡的定時中斷信號，設定的定時觸發(fā)信號的間隔為5ms。為了能得到實時的輪速信號，輪速信號采集系統(tǒng)的工作過程是-1、信號采集。ABS已經(jīng)成為車輛的標準配置。ABS的工作原理是利用裝在車輛剎車系統(tǒng)上的傳感器來感知剎車時車輪的運動狀態(tài)，當車輛緊急制動時，車輪的轉速在制動系統(tǒng)的作用下迅速降低。因此利用現(xiàn)有ABS系統(tǒng)，從它的輪速采集傳感器(霍爾元件)中引出輪速信號。由于在車輛行駛過程中工況比較復雜，通過示波器顯示，在車輪處引出的輪速信號是一個載有高、低頻噪聲，同時信號的零點漂移嚴重的脈沖信號。2、輪速信號調(diào)理器將采集到的輪速信號接入輪速信號調(diào)理器，調(diào)理器的功能參閱圖2所示，分為跟隨器、低通濾波器、高通濾波放大器、整形穩(wěn)壓輸出四個部分。(1)跟隨器A:這里設計了一個電壓跟隨電路，它的特點是輸入高阻抗，輸出低阻抗，這就使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。(2)信號濾波放大B:由于試驗場地復雜，同時車在運行中的干擾因素很多，所以信號的噪聲嚴重，在有效的脈沖上即有低頻噪聲又載有高頻噪聲。通過分析和計算，可以得知信號有效的頻段，采用低通濾波器和高通濾波器相結合的濾波方式就可以得到有效的脈沖信號，這里低通濾波器采用的是一階的低通濾波器，高通濾波器采用的是無限增益多路反饋高通濾波器。實驗測得濾波后，保留下所需要信號的頻率范圍，在濾波的同時將幅值比較低的信號放大到我們所需要的幅值范圍。但濾波后脈沖信號的波形還很不理想。(3)信號整形穩(wěn)壓輸出C:利用電壓比較電路實現(xiàn)，將參考電壓設在波形相對好的區(qū)域，這樣就可以通過比較電路得到波形好的真實地輪速信號，再通過穩(wěn)壓管將脈沖信號的幅值穩(wěn)在+5V0V，這樣計算機就可以直接接收。3、計算機信號的采集。將從輪速信號調(diào)理器輸出的脈沖信號輸入到計算機的定時/計數(shù)卡的輸入端口，定時/計數(shù)卡的功能一方面可以對外部輸入的脈沖進行計數(shù)，另一方面可以為系統(tǒng)提供基準時鐘。在設定的單位時間內(nèi)，計數(shù)卡將得到的脈沖數(shù)以中斷的形式發(fā)送給輪速計算模型。4、輪速計算模型。輪速計算模型的工作原理用得到的脈沖數(shù)除以計算時間，就可得出瞬時的單位時間內(nèi)計的脈沖數(shù)，再除以車輪轉一圈的脈沖數(shù)，就可知單位時間內(nèi)車輪轉的圈數(shù)，最后根據(jù)不同品牌車輛車輪外徑的不同數(shù)值，可以得出車輛在運動過程中，四個輪子實時的轉速。本發(fā)明的有益效果輪速信號采集系統(tǒng)簡化了輪速信號的采集，縮短了測量裝置安裝周期，降低了測量成本，并且對于車輛的結構沒有任何的影響；同時利用該裝置采集的信號與整車的其它電控信號相一致，不會出現(xiàn)歧異；自行研制的輪速信號調(diào)理器處理脈沖信號的能力強，通過改變元器件的取值可以適用于各種范圍；最后信號采集的實時性好，只需替代輪速計算模型中的少量參數(shù)就可適用于各種車型，應用范圍廣，可推廣應用到各種車輛的對標性能測試。圖l輪速信號采集系統(tǒng)的結構框圖；圖2輪速信號采集系統(tǒng)的電路結構圖；圖3運算放大器的引腳連接原理圖；圖4跟隨器的電壓跟隨電路結構圖；圖5低通濾波器的電路結構圖；圖6高通濾波放大器的電路結構圖；圖7整形穩(wěn)壓輸出電路結構圖；圖8輪速計算模型的工作原理。具體實施例方式下面結合附圖所示實施例進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容-輪速信號采集系統(tǒng)主要由車輪處采集信號、輪速信號調(diào)理器和計算機組成，參閱圖l所示，所說的車輪處采集信號是通過車輛剎車系統(tǒng)上ABS輪速采集傳感器中引出，送入輪速信號調(diào)理器，經(jīng)過輪速信號調(diào)理器處理后的輪速信號變成計算機可識別的脈沖信號送入計算機，由計算機完成對輪速信號的采集與計算。1、輪速信號調(diào)理器所說的輪速信號調(diào)理器它們之間的連接結構參閱圖2所示。輪速信號調(diào)理器是一個自行研制的電路調(diào)理盒，在盒中包括四套參閱圖2所示的電路，分別接收車輛四個輪子ABS傳感器的脈沖信號。每一套調(diào)理電路中都有四個運算放大器，這里選用封裝的LM324，它的引腳連接原理圖參閱圖3所示，包含四個運算放大器。輪速信號調(diào)理器通過接插件DB9來接收和發(fā)送信號，DB9引腳的定義參閱表二所示<table>complextableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>下面將詳細的介紹一下各部分的器件間的連接和功能。跟隨器A跟隨器為電壓跟隨電路，其結構參閱圖4所示，由一個運算放大器和兩個電阻構成。電路的輸入端是輸入接插件DB9的脈沖輸入，經(jīng)過Rl連接到LM3241的正端輸入引腳3上，將LM3241的負端輸入引腳2經(jīng)電阻R2后返回到LM3241的輸出引腳1上輸出。電壓跟隨器是將輸出電壓全部反饋到反向輸入端，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，其反饋系數(shù)為l，R1=R2=10K。它的特點是輸入高阻抗，輸出低阻抗，這就使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。低通濾波器B低通濾波器的設計參閱圖5所示，由一個運算放大器、兩個電阻和二個獨石電容構成。將上一級的輸出作為這一級的輸入，LM3241輸出引腳1經(jīng)過R3和R4接入LM3242的正端輸入引腳5上，同時將LM3242引腳5通過電容C2落地，電容Cl的兩端分別與LM3242負端輸入引腳6及電阻R3和R4的中間相連，最后將LM3242負端輸入引腳6與LM3242輸出引腳7相連，輸出經(jīng)過調(diào)理的信號。低通濾波器是一個一階的低通濾波器，它的特點是濾去信號中的高頻噪聲成分，只讓低于截止頻率的脈沖通過。ABS安在車輪處的傳感器是一個霍爾傳感器，車輪44齒/周，取兩個極限的車速，即最低與最高的車速，來確定濾波的范圍。當時速為1.44Km/h時，信號頻率為8.8Hz，當時速為216Km/h時，信號頻率為1100Hz，因此有效的脈沖頻率范圍是8.8HzllOOHz。設定年低通濾波器的截止頻率設為/e=1100HZ。特性頻率<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>根據(jù)公式<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>，求得Cl=C2=ln。高通濾波放大器C高通濾波放大器的設計參閱圖6所示，由一個運算放大器、三個電阻、三個獨石電容和一個電位器構成。LM3242輸出引腳7經(jīng)過電容C5和C4輸入LM3243的負端引腳9上，C3與R5的一端都接到LM3243的輸出引腳8上，另一端分別接到C5和C4的中間及LM3243的負端引腳9上，LM3243的正端引腳10與電位器R8的中間抽頭相連接，電位器R8—端接地，另一端通過電阻R7與+15V電源相連。高通濾波放大器的功能是對信號進行高通濾波，同時利用電位器對信號的幅值進行放大。高通濾波器采用的是無限增益多路反饋高通濾波器，它的特點是濾去信號的低頻噪聲成分，只讓高于截止頻率的脈沖通過。通過上面的分析，高通濾波器的截止頻率設為/e=8.8HZ。設傳遞函數(shù)為A=20，品質因數(shù)為Q=0.707。令C4=C5=l.OjU，根據(jù)公式<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>由此得出整個高通濾波器的設定參數(shù)。同時調(diào)整電位器R8，將脈沖信號的幅值調(diào)整到0V6V之間。整形穩(wěn)壓輸出D整形穩(wěn)壓輸出電路參閱圖7所示。由一個運算放大器、三個電阻、一個穩(wěn)壓二極管和一個電位器構成。LM3243輸出引腳8經(jīng)過R10接入LM3244的正端引腳12上，將LM3244的負端引腳13與電位器R12的中間抽頭相連，電位器R12的一端接地，另一端經(jīng)過電阻Rll與+15V電源相連，LM3244的正端引腳12經(jīng)過R9與LM3244輸出引腳14連接，穩(wěn)壓管D1—端與地連接，另一端與LM3244輸出引腳14連接。由于經(jīng)過低通濾波和高通濾波后，信號只是除去了不該有的噪聲信號，但信號波形的品質不好，不能讓計算機上的計數(shù)卡正確識別，這就需要對信號進行整形。這是一個電壓比較器，因此比較參考電壓的選取非常關鍵。通過示波器觀察，在信號的峰值處，信號的波形有波動，因此將參考電壓設在信號相對穩(wěn)定的中段，這樣既可以濾去峰值的干擾信號，又可以得到非常好的方波，R9=R10=Rll=10k。在信號的輸出端連接一個5V的穩(wěn)壓管，就可得到一個幅值在0V5V變化的方波。2、計算機對輪速信號的計算經(jīng)過輪速信號調(diào)理器的處理，輪速信號變成計算機可識別的脈沖信號，計算機對輪速信號的采集與計算分為以下兩步。(1)計算機信號的采集在計算機上安裝專業(yè)的定時/計數(shù)卡，這里我們選用的是研華的專用定時/計數(shù)卡PCI-1780，將經(jīng)過輪速信號調(diào)理器處理過的輪速脈沖信號按PCI-1780的說明書接入定時卡，就可以采集信號。定時/計數(shù)卡的功能一方面可以對外部輸入的脈沖進行計數(shù)，另一方面可以為系統(tǒng)提供基準時鐘。在設定的單位時間內(nèi)，計數(shù)卡將得到的脈沖數(shù)以中斷的形式發(fā)送給輪速計算模型。(2)輪速計算模型輪速計算模型的工作原理參閱圖8所示。這是一個循環(huán)計算模型，每次循環(huán)的觸發(fā)是接收定時卡的定時中斷信號，設定的定時觸發(fā)信號的間隔是5ms，也就是說每5ms計算一下四個輪子當前的轉速。從流程圖可以看出，循環(huán)的開始等待接收定時中斷信號，一旦中斷到，則讀取脈沖寄存器內(nèi)脈沖的數(shù)目。然后利用公式At時間內(nèi)的脈沖數(shù)=單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，其中At二5ms。△t已知車輪轉一周會產(chǎn)生44個脈沖。單位時間力的脈沖數(shù)=單位時間內(nèi)車輪轉的圈數(shù)。44單位時間內(nèi)車輪轉的圈數(shù)x;rx車輪的直徑二車輪的轉速由于車的品牌不同，所以車的直徑也都不一樣，因此針對不同類型的車輛，只需要修改參數(shù)庫中的車輪直徑數(shù)值，就可以適用于任何車型。權利要求1、一種輪速信號采集系統(tǒng)，主要由車輪處信號采集器、輪速信號調(diào)理器和計算機組成，其特征在于所說的車輪處信號采集器采用車輛剎車系統(tǒng)上的ABS系統(tǒng)的輪速采集傳感器，所說的輪速信號調(diào)理器由四套結構相同的信號調(diào)理電路組成，包括跟隨器(A)、低通濾波器(B)、高通濾波放大器(C)、整形穩(wěn)壓輸出(D)四個部分，每一套調(diào)理電路中都有四個運算放大器，通過接插件DB9分別接收車輛四個輪子ABS輪速采集傳感器的脈沖信號和向計算機發(fā)送信號，所說的計算機上裝有采集信號的定時/計數(shù)卡和輪速計算模型。2、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的跟隨器(A)為由一個運算放大器和兩個電阻構成的電壓跟隨電路，運算放大器選用封裝的LM324，電路的輸入端是輸入接插件DB9的脈沖輸入，經(jīng)過R1連接到LM324(1)的正端輸入引腳3上，將LM324(1)的負端輸入引腳2經(jīng)電阻R2后返回到LM324(1)的輸出引腳l上輸出。3、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的低通濾波器(B)由一個運算放大器、兩個電阻和二個獨石電容構成，將上一級的輸出作為這一級的輸入，LM324(1)輸出引腳1經(jīng)過R3和R4接入LM324(2)的正端輸入引腳5上，同時將LM324(2)引腳5通過電容C2落地，電容Cl的兩端分別與LM324(2)負端輸入引腳6及電阻R3和R4的中間相連，最后將LM324(2)負端輸入引腳6與LM324(2)輸出引腳7相連，輸出經(jīng)過調(diào)理的信號。4、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的高通濾波放大器(C)由一個運算放大器、三個電阻、三個獨石電容和一個電位器構成，LM324(2)輸出引腳7經(jīng)過電容C5和C4輸入LM324(3)的負端引腳9上，C3與R5的一端都接到LM324(3)的輸出引腳8上，另一端分別接到C5和C4的中間及LM324(3)的負端引腳9上，LM324(3)的正端引腳10與電位器R8的中間抽頭相連接，電位器R8—端接地，另一端通過電阻R7與+15V電源相連。5、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的整形穩(wěn)壓輸出(D)電路由一個運算放大器、三個電阻、一個穩(wěn)壓二極管和一個電位器構成。LM324(3)輸出引腳8經(jīng)過R10接入LM324(4)的正端引腳12上，將LM324(4)的負端引腳13與電位器R12的中間抽頭相連，電位器R12的一端接地，另一端經(jīng)過電阻R11與+15V電源相連，LM324(4)的正端引腳12經(jīng)過R9與LM324(4)輸出引腳14連接，穩(wěn)壓管Dl—端與地連接，另一端與LM324(4)輸出引腳14連接。6、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的定時/計數(shù)卡對外部輸入的脈沖進行計數(shù)，為系統(tǒng)提供基準時鐘，在設定的單位時間內(nèi)，將得到的脈沖數(shù)以中斷的形式發(fā)送給輪速計算模型。7、根據(jù)權利要求1所述的輪速信號采集系統(tǒng)，其特征在于所說的輪速計算模型為一個循環(huán)計算模型，每次循環(huán)的觸發(fā)是接收定時卡的定時中斷信號，設定的定時觸發(fā)信號的間隔為5ms。全文摘要本發(fā)明屬于標定汽車性能場地試驗中的測量技術，特別是涉及一種輪速信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由車輪處信號采集器、輪速信號調(diào)理器和計算機組成，所說的車輪處信號采集器采用車輛剎車系統(tǒng)上的ABS系統(tǒng)的輪速采集傳感器，所說的輪速信號調(diào)理器由四套結構相同的信號調(diào)理電路組成，包括跟隨器(A)、低通濾波器(B)、高通濾波放大器(C)、整形穩(wěn)壓輸出(D)四個部分，每一套調(diào)理電路中有四個運算放大器，通過接插件DB9分別接收車輛四個輪子ABS輪速采集傳感器的脈沖信號和向計算機發(fā)送信號，所說的計算機上裝有采集信號的定時/計數(shù)卡和輪速計算模型。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的不足，可快速準確獲取車輛輪速。文檔編號G08C19/16GK101197072SQ20081005023公開日2008年6月11日申請日期2008年1月9日優(yōu)先權日2008年1月9日發(fā)明者姜立勇,穎徐,楊得軍,胡玉明,軍詹,趙偉強,郭學立,郭建軍,陳宋兵,越高申請人:吉林大學