ABS傳感器功能測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，汽車安全件的檢測設(shè)備絕大多數(shù)是從汽車制造業(yè)發(fā)達(dá)的國家進(jìn)口的，ABS（Anti-lock Braking System，制動防抱死系統(tǒng)）傳感器的功能測試設(shè)備更是如此，因此需要自主開發(fā)一種適合生產(chǎn)環(huán)境、快速、穩(wěn)定、通用的檢測設(shè)備，以滿足生產(chǎn)過程中每件必檢的一道工序的需要。
本設(shè)計(jì)使用NI PCI-6220多功能數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 7.1開發(fā)軟件，根據(jù)德國大眾的ABS傳感器功能測試標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出了滿足要求的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度快、運(yùn)行可靠，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析及存儲，并已經(jīng)在生產(chǎn)線上投入使用。
ABS的工作原理
ABS最重要的功能并不是為了縮短制動距離，而是為了能夠盡量保持制動時汽車的方向穩(wěn)定性。ABS起作用時，車輪與路面的摩擦屬滾動摩擦，它會充分利用車輪與路面之間的最大附著力進(jìn)行制動，從而提高制動加速度，縮短制動距離，但最重要的還是保證汽車的方向穩(wěn)定性。ABS工作時就相當(dāng)于以很高的頻率進(jìn)行點(diǎn)剎。于是，在緊急情況下如果將制動踏板踩到底，肯定會感到制動踏板在顫動，同時也會聽到制動總泵發(fā)出的“噠噠”聲，這便是ABS在正常工作。制動總泵不斷調(diào)整制動壓力，從而對制動踏板產(chǎn)生連續(xù)的反饋力。
測試原理
如圖1所示，測試時，ABS的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)被驅(qū)動系統(tǒng)帶動以任意方向恒定的速度旋轉(zhuǎn)。對于MK60型ABS傳感器，就是指在沒有制動力的情況下，以恒速139.5r/m旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，分別在接點(diǎn)①和②間（UB）給傳感器施加12Vdc和3.3Vdc電壓，在旋轉(zhuǎn)中連續(xù)進(jìn)行兩次測試，每次測試都要保證測試完整的一周。當(dāng)ABS傳感器感應(yīng)到發(fā)號片，就產(chǎn)生方波的波峰，否則產(chǎn)生波谷，使用115Ω的高精度電阻R取得電壓US。當(dāng)UB為12V時，根據(jù)所測得的電壓值計(jì)算出方波的頻率、電流峰值IH的最大值和最小值、電流谷值IL的最大值和最小值以及信號的占空比。如圖3所示，當(dāng)UB為3.3V時，根據(jù)所測得的電壓值計(jì)算出極對數(shù)和極距間隙。如果這些值在許可的范圍內(nèi)，就可以判定ABS傳感器是合格的。

圖1 ABS傳感器測試系統(tǒng)示意圖

圖2 ABS電路圖

圖3 ABS方波

為了保證測試完整的一周及判斷ABS傳感器的極對數(shù)是否正確，必須有一個基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器，為此，制作了一個有45個齒的齒盤，因?yàn)檎r工件的極對數(shù)是43，所以齒盤的齒數(shù)與其相近。該齒盤的齒隙比為1:1，并隨被測試工件一起旋轉(zhuǎn)，用光電開關(guān)檢測基準(zhǔn)齒盤的齒數(shù)，只有檢測到45個光電開關(guān)的信號，才能確保ABS進(jìn)行了完整一周的測試。該光電開關(guān)產(chǎn)生0～24V的序列脈沖，但經(jīng)過接口板的光電隔離后轉(zhuǎn)換成0～5V的序列脈沖，以下簡稱REF信號，選擇此光電開關(guān)時應(yīng)注意響應(yīng)頻率要大于45×139.5÷60=105Hz。
控制原理
使用NI PCI-6220多功能采集卡，將ABS信號和REF信號作為電壓模擬量采用差分輸入方式連接到多功能采集卡的通道0和通道1，為了保證測試精度，設(shè)置模擬量的采樣速率為25kS/s，并設(shè)置每通道的緩存區(qū)為500kS，可靠地將測試數(shù)據(jù)存儲起來，設(shè)置每通道的每次讀取點(diǎn)數(shù)為250S。將測試條件判斷信號和測試結(jié)論值以數(shù)字量信號輸出到DIO上。為了實(shí)現(xiàn)測試電壓的切換、模擬量輸入和數(shù)字量的輸入或輸出，自行設(shè)計(jì)開發(fā)了接口板，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。接口板內(nèi)有兩個DC/DC模塊，分別用于將24Vdc轉(zhuǎn)換成5Vdc和12Vdc。5Vdc用于多功能采集卡的DIO，為了保護(hù)NI PCI-6220多功能采集卡，對于數(shù)字量輸入使用雙向輸入光電隔離和NPN/PNP輸入選擇開關(guān)，并將24個數(shù)字量分成16個輸入和8個輸出；輸出部分使用達(dá)林頓驅(qū)動模塊帶動繼電器輸出。測試電壓要求精度是12±0.1V 和3.3±0.1V，使用兩個電壓調(diào)節(jié)器和電位器，以確保將測試電壓調(diào)節(jié)到12V和3.3 V。選用安川SGMGH系列伺服電機(jī)和SGDM系列伺服控制器，為保持速度恒定。伺服電機(jī)選用17位編碼器，應(yīng)用內(nèi)部速度控制方式，無須其他控制模塊實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的測試。

圖4 接口板結(jié)構(gòu)框圖

圖5是測試程序流程圖，圖6是設(shè)備全圖，測試具體步驟如下。

圖5 測試程序流程圖

圖6 設(shè)備全圖

1 開機(jī)運(yùn)行程序，首先進(jìn)行程序初始化，包括讀入?yún)?shù)設(shè)置值、初始化數(shù)組和簇。
2 測試程序每50ms掃描一次“測試指令”脈沖信號，該脈沖信號至少保持200ms。一旦掃描到“測試指令”脈沖信號，就開始測試。
3 上次的測試結(jié)果首先要清零。
4 接口板上的繼電器K1和K13上電接通，連接ABS傳感器，并施加12V電壓，進(jìn)行第一次測試，對測試值進(jìn)行計(jì)算。
5 接口板上的繼電器K13保持連接ABS傳感器，K1斷開，將電壓切換到3.3V，進(jìn)行第二次測試，并對測試值進(jìn)行計(jì)算。
6 將計(jì)算結(jié)果匯總，得出結(jié)論。
7 輸出計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)論，發(fā)送給PLC測試完成及合格與否的I/O信號；在測試軟件的主界面上顯示計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)論；將計(jì)算結(jié)果附加上時間、日期和條形碼一起對應(yīng)存盤。
8 等待PLC的反饋信號，在3s之內(nèi)，收到PLC發(fā)回的“結(jié)果收到”信號，則返回步驟2，處于等待“測試指令”脈沖信號，準(zhǔn)備下次測試；否則進(jìn)行報(bào)警提示。
程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)
以LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)為模板，共19個框。建立4個簇作為數(shù)據(jù)的高速公路，它們分別是：ABS與REF順序比較、參數(shù)設(shè)置、計(jì)算結(jié)果和測得數(shù)據(jù)。共有15個子程序被調(diào)用來完成測試、參數(shù)設(shè)置和硬件測試等功能。
顯示畫面可以在“查看數(shù)據(jù)”、“第一次波形”、“第二次波形”和“參數(shù)設(shè)置及硬件測試”四個界面間切換。默認(rèn)畫面是“查看數(shù)據(jù)”，也是主界面，如圖7所示。在默認(rèn)畫面上顯示出要求測試項(xiàng)目的計(jì)算值、測試結(jié)果和此次程序運(yùn)行后測試的數(shù)量、合格的數(shù)量及合格率。在測試過程中，有測試進(jìn)程顯示。在“第一次波形”和“第二次波形”畫面中顯示出兩次連續(xù)測試的ABS信號和REF信號波形。圖8是第一次測試波形。在“參數(shù)設(shè)置及硬件測試”畫面中，授權(quán)用戶能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，能進(jìn)行硬件測試。每天以日期為文件的前綴生成數(shù)據(jù)記錄文件，如“2006-6-3_ABS”。

圖7 主界面

圖8 第一次測試波形
在測試數(shù)據(jù)前面加上日期、時間和被測試件的條形碼一起對應(yīng)存盤，每測試一次添加一行，在均為80G的C盤和D盤中同時存儲，以保證數(shù)據(jù)的安全性，便于數(shù)據(jù)追溯，數(shù)據(jù)存儲格式如表1所示，用Excel軟件可以查看該記錄文件。


由于采集速度很快，雖然在理論上認(rèn)為方波信號的上升沿和下降沿是跳變的，如可以說從0V跳變到5V，但是，如果把這個跳變過程放大很多倍，就能捕捉到從0V跳變到5V的中間值，可能是2.7V、3.5V等。就是類似于這樣的跳變過程中的一個值，就是波峰或波谷超限的值。通過對采集數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)需要的采樣速率和方波的頻率，在跳變過程中最多能產(chǎn)生一個中間值，這樣，在程序中將這樣的中間值識別出來并加以過濾，就避免了假的不合格的數(shù)據(jù)參與計(jì)算。另外，雖然從宏觀上：如果ABS傳感器合格，參考信號有45個齒，ABS就應(yīng)該有43個齒。但是，通過對紙制模型的分析，發(fā)現(xiàn)在采樣開始的瞬間，ABS或參考信號（簡稱REF）的相對狀態(tài)不同，計(jì)算數(shù)值是不一樣的。即如果脈沖順序判斷結(jié)果是REF先于ABS，則以REF為基準(zhǔn)，在REF=46時，ABS=43即為正確；如果脈沖順序判斷結(jié)果是ABS先于REF，則以ABS為基準(zhǔn)，在ABS=44時，REF=45即為正確；如果脈沖順序判斷結(jié)果是ABS與REF同時到來，則以ABS為基準(zhǔn)，在ABS=43時，REF=45即為正確。
結(jié)束語
實(shí)踐證明，LabVIEW 7.1的圖形化編程，易于閱讀和理解，軟件中豐富的例程對初學(xué)者極為有用，實(shí)用的裝飾件可以做出美觀實(shí)用的界面。圖9是LabVIEW塊圖程序。目前，這一ABS功能測試系統(tǒng)已經(jīng)交付使用，該系統(tǒng)技術(shù)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、能夠保證測量精度。相對進(jìn)口的同類設(shè)備，雖然采集卡采樣速率都是250kS/s，但是進(jìn)口設(shè)備的A/D轉(zhuǎn)換分辨率是12位，而NI PCI-6220的轉(zhuǎn)換分辨率是16位，此外，進(jìn)口設(shè)備的價格是本系統(tǒng)的3、4倍，這一系統(tǒng)的成功也給用戶節(jié)省了設(shè)備投資。

圖9 LabVIEW塊圖程序